Взято из <Hаука и жизнь>, ?5, 1987.
Мы опишем (лишь качественно) результаты опыта, который легко может
проделать каждый. Потребуется довольно незамысловатый инвентарь - кастрюля и
проигрыватель для грампластинок. Мы не станем утомлять читателя
исчерпывающим объяснением тех явлений, которые нам удалось наблюдать, -
найти такое объяснение, вообще говоря, не просто. Итак, мы взяли кастрюлю с
водой и бросили в нее несколько чаинок спитого чая. Закрутив воду (с помощью
столовой ложки), мы убедились, что вращение быстро стабилизировалось - вода
со взвешенными в ней чаинками стала вращаться как единое целое, Мы условно
разделили все чаинки на две группы - <быстрые> и <медленные>, и тогда можно
было заметить, что <медленные> перемещались к центру кастрюли, а <быстрые> -
к ее периферии. Такое перемещение чаинок происходило до тех пор, пока все
они не приобрели одинаковой угловой скорости (равной скорости элементов
жидкости). Это и означало, что вращение стабилизировалось. В дальнейшем
чаинки двигались по окружностям, одновременно опускаясь вниз, а достигнув
дна, перемещались к центру. Опускание чаинок на дно можно, разумеется,
объяснить действием силы тяжести, но тогда в невесомости они должны
двигаться по окружностям, не смещаясь вдоль оси вращения.
В чем причины такого поведения чаинок?
Когда мы раскручиваем цилиндр, то жидкость благодаря вязкости
постоянно вовлекается во вращение с возрастающей угловой скоростью.
Постепенно ускоренные слои жидкости достигают вращающихся чаинок, и тут
проявляет себя то обстоятельство, что вода и чаинки имеют разную плотность.
Плотность чаинок больше, а значит, их труднее вовлекать в ускоренное
движение, чем расположенные рядом слои жидкости, Чаинки отстают от
окружающей их жидкости и, следовательно, перемещаются к оси цилиндра, Если
же цилиндр - наша кастрюля - не ускоряется, а тормозится, то все будет
происходить наоборот. Такое перемещение к оси цилиндра или его периферии с
<выключенной> гравитацией мы условно назвали <космическим эффектом>, или
<эффектом стенок>.
А теперь снова вернемся на землю. <Включив> гравитацию, мы убедимся
в существовании сугубо земного эффекта или <эффекта дна>. Поставим нашу
кастрюлю (или какой-нибудь другой цилиндрический сосуд с чаем) на диск
проигрывателя и проследим за поведением чаинок на различных этапах вращения:
во время раскручивания, равномерного вращения и торможения. Все эти стадии
легко различить, например, с помощью <буйка> - плавающего обломка спички: о
том, что жидкость начинает вращаться равномерно, будет свидетельствовать
движение сосуда, воды и спички как единого целого.
Включив проигрыватель, мы заметим, что при раскручивании диска
чаинки сразу переместятся к периферии, а при его торможении - к центру. При
равномерном вращении чаинки не перемещаются, и в этом легко убедиться,
бросив несколько добавочных чаинок в равномерно вращающийся сосуд.
Опустившись на дно, они продолжают вращаться на неизменных расстояниях от
оси.
А вот при раскручивании и торможении <земной> эффект противоположен
<космическому>. В частности, при ускоренном вращении чаинки перемещаются к
стенке сосуда В чем тут дело? Мы внимательно понаблюдали за поведением
чаинок и пришли к заключению, что важную роль играют силы трения их о дно.
Hапример, при раскручивании диска чаинки сразу же начинают вовлекаться этим
трением во вращение (жидкость, конечно, тоже увлекается дном, но лишь в
пограничном слое, толщина которого незначительна). В результате центр масс
каждой из чаинок обгоняет расположенные по соседству элементы жидкости, и
чаинки перемещаются к периферии. Перемещения в противоположном направлении,
к центру, мы наблюдаем при торможении, в частности после перемешивания
чая, - ведь в этом повседневном для многих из нас опыте чаинки не
разгоняются, а тормозятся.
Явления, сопровождающие движение твердых частичек во вращающейся
жидкости, можно наблюдать с помощью выпущенного Тульским оружейным заводом
гидродинамического волчка. Этот <сувенир для любознательных> был создан
конструктором завода, дважды лауреатом премии имени С.И. Мосина энтузиастом
науки H.И. Коровяковым. В описании сувенира сказано: <В момент запуска
волчка происходит приближение частиц к его центру, а затем они расходятся к
стенкам. При торможении волчка частицы перемещаются к центру в строгой
последовательности: первыми центра достигают самые тяжелые, последними -
более легкие>. В этом описании опущен первый этап: перемещение частиц к
периферии в момент запуска волчка.
Такое двойственное поведение частиц объясняется воздействием, с
учетом сил тяготения, обоих эффектов - и дна и стенок. Как мы уже видели,
влияние <космического> и <земного> эффектов на твердые частицы
противоположно.
Обратим теперь внимание еще на одно свойство вращающейся жидкости.
До сих пор мы полностью игнорировали взаимодействие между водой и дном
вращающегося сосуда Hо ведь в пограничном слое у основания цилиндра молекулы
жидкости должны двигаться так же. как и твердые частицы: при раскручивании
дрейфовать к стенкам, а при торможении - к оси вращения. При этом дефицит
или избыток жидкости вызывает в ней перераспределение давления. Возникают
так называемые вторичные течения. И тут мы наталкиваемся на практическую
значимость задачи о движении тела во вращающейся жидкости. Представим себе,
что где-то в океане образовалась гигантская воронка - водоворот. Все
взвешенные и плавающие на поверхности частицы вращаются вместе с массой воды
(такими <частицами> могут оказаться океанские суда). Тела, обгоняющие воду,
перемещаются к периферии водоворота, отстающие - к его центру. Если в
воронку попадает корабль, то его торможение относительно всей вращающейся
массы будет определяться курсом судна, направлением и силой ветра, а также
вторичными течениями. Подобно чаинке в стакане, корабль может смещаться к
центру вращения, и дальнейшая судьба судна будет зависеть от интенсивности
вертикального течения. Hикто не может поручиться, что эта судьба не окажется
плачевной...