Что держит шарик на фонтане?

С течением жидкостей и газов связано много на первый взгляд таинственных и необъяснимых явлений.

Почему держится и не падает шарик на вершине фонтана и даже воздушной струи? Почему сближаются два листка бумаги или два подвешенных шарика, если подуть между ними? Почему сталкиваются идущие параллельно и близко друг к другу корабли? Почему «притягивает» близко стоящего человека быстро идущий поезд? И, наконец, почему «сама собой» поднимается жидкость в пульверизаторе или, для кого это понятнее, в карбюраторе?

Все эти явления связаны с течением жидкостей или газов и подчиняются принципу, высказанному в 1738 г. Даниилом Бернулли (1700— 1782), петербургским академиком: «В струе жидкости или газа давление велико, если скорость мала, и давление мало, если скорость велика». Если взглянуть на рис. 209, иллюстрирующий этот принцип, то.

получается явное нарушение закона Паскаля — в сообщающихся сосудах жидкость стоит на разных уровнях. Но в том-то и дело, что Паскаль рассматривал неподвижную жидкость, а Бернулли — движущуюся.

Рассмотрим с учетом принципа Бернулли все отмеченные выше «удивительные» явления.

Легкий шарик, например, от настольного тенниса держится на струе воздуха и не падает вниз (рис. 210). Струя эта может быть создана хоть феном, хоть пылесосом, а ловкачи создают такую струю, даже выдувая воздух из сложенных трубочкой губ.

Рис. 209. Нарушение закона Паскаля в движущейся жидкости: а — давление в узкой части трубки меньше, чем в широкой; б — вода засасывается в узкую часть трубки из стакана Казалось бы, струя должна отталкивать шарик и сбрасывать его в сторону. Ан нет — шарик прочно держится на вершине и даже как будто стремится перекрыть эту струю. Если шарик сбивается набок, то окружающий неподвижный воздух возвращает его в струю, где по принципу Бернулли давление меньше. То же самое происходит, если шарик поставить на фонтанирующую струйку воды — зрелище, надо сказать, очень интересное.

Два листка бумаги или два подвешенных легких шарика сближаются, если подуть между ними (рис. 211), потому, что быстро движущаяся струя воздуха имеет низкое давление, и окружающий воздух сдавливает, сближает между собой эти предметы.

По этой же причине быстро идущий поезд, создающий струи воздуха, понижает давление вокруг себя и, естественно, втягивает все находящиеся рядом предметы. Все мы часто видим, как навстречу несущемуся поезду или автомобилю сбоку поднимаются тучи пыли, листьев и других мелких предметов. Точно так же «притягивает» поезд и стоящего близ него человека, причем со значительной силой, при большой скорости более 100 Н, которую человек стоя может и не выдержать. Поэтому не стойте близ быстро идущих поездов, автомобилей и других машин.

Рис. 210. Шарик на струйке воздуха.

Рис. 211. Сближение предметов при протекании между ними струи воздуха.

Очень интересны вопросы, связанные с подъемом жидкости в пульверизаторах и карбюраторах и имеющие большое практическое значение. Принцип действия пульверизатора очень прост: если дуть в трубку 1, то жидкость по трубке 2 поднимается, увлекаемая давлением в струе воздуха, и этой же струей распыляется (рис. 212). На этом принципе построены очень многие бытовые приборы — распылители воды, опрыскиватели, краскопульты, но самый главный и распространенный прибор — карбюратор, пока еще используемый в двигателях, работающих на легком топливе, например бензине. Несмотря на то, что карбюратор сейчас постепенно вытесняется непосредственным впрыском топлива, он еще долго будет использоваться на автомобилях, и изучение его полезно.

Рис. 212. Принцип действия пульверизатора:

1 — трубка горизонтальная; 2 — трубка вертикальная Устройство простейшего карбюратора изображено на рис. 213. Во время всасывающих ходов поршня двигателя наружный воздух проходит снизу вверх по трубе 1, которая имеет суженную часть — диффузор 3. В диффузоре помещена распылительная трубка 2, через которую поступает бензин из поплавковой камеры 10 в смесительную камеру 4.

Чтобы расход бензина через распылительную трубку 2 был строго ограничен, в трубке помещают жиклер — деталь с малым калиброванным (очень точного размера) отверстием.

При понижении уровня топлива в поплавковой камере 10 поплавок 11 опускается, вращаясь вокруг оси 9, а верхний конец запорной иты 7 отходит от своего седла. Топливо начинает поступать в поплавковую камеру через канал 8. Поплавок всплывает, и в определенный момент запорная игла плотно закрывает отверстие для поступления бензина.

Бензин в поплавковой камере всегда находится под атмосферным давлением благодаря отверстию 6 в крышке камеры. Поплавковая камера 10 и трубка 2 — сообщающиеся сосуды. Если уровень бензина в камере ниже или равен высоте трубки 2, то бензин не выливается. Но когда воздух проходит через диффузор, давление около трубки 2 уменьшается; появляется разность давлений воздуха в поплавковой камере (там оно равно атмосферному) и в диффузоре. Под действием разности давлений бензин выталкивается из трубки 2 и распыляется в потоке воздуха; образуется рабочая смесь, которая увлекается через регулирующую поток заслонку 5 в цилиндр двигателя.

И еще очень полезный прибор, работающий на принципе Бернулли, — водоструйный насос. Кран на кухне есть у каждого, и всасывающий воздушный насос получить хотелось бы для самых разнообразных практических целей. Так, можно выпаривать жидкости под низким давлением при низкой температуре (например, молоко), сушить фрукты, грибы и выполнять множество других дел.

На рис. 214 изображена схема устройства водоструйного насоса, где также используется всасывающее действие струи жидкости.

Вода из водопровода проходит через узкий участок трубки 1, в котором скорость ее движения сильно возрастает, вследствие чего давление там становится меньше атмосферного.

Благодаря этому через трубку, связанную с воздушным резервуаром 2, засасывается воздух до тех пор, пока его давление в резервуаре не становится равным давлению в суженной части трубки 1. Эвакуированный из резервуара воздух уносится протекающей водой через сливную трубу 3.

Особый разговор о сталкивающихся кораблях. Здесь уместно привести случай, произошедший с двумя кораблями в 1912 г., описанный Я. И. Перельманом.

«Осенью 1912 года с океанским пароходом «Олимпик» (тогда одним из величайших в мире судов) произошел следующий случай. «Олимпик» плыл в открытом море, а почти параллельно ему, на расстоянии сотни метров, проходил с большой скоростью другой корабль, гораздо меньший, броненосный крейсер «Гаук». Когда оба судна заняли положение, изображенное на рис. 215, а, произошло нечто неожиданное: меньшее судно стремительно свернуло с пути, словно повинуясь какой-то неведомой силе, повернулось носом к большому пароходу и, не слушаясь руля, двинулось почти прямо на него. Произошло столкновение. «Гаук» врезался носом в бок «Олимпика»; удар был так силен, что «Гаук» проделал в борту «Олимпика» большую пробоину.

Когда этот странный случай рассматривался в морском суде, виновной стороной был признан капитан гиганта «Олимпик», так как, постановление суда гласило, что он не отдал никаких распоряжений уступить дорогу идущему наперерез «Гауку».

Суд не усмотрел здесь, следовательно, ничего необычайного: простая нераспорядительность капитана, не больше. А между тем имело место совершенно непредвиденное обстоятельство: случай взаимного притяжения судов на море.

Чем же объясняется это притяжение? Конечно, здесь не может быть и речи о притяжении по закону всемирного тяготения Ньютона; мы уже видели, что это притяжение слишком ничтожно. Причина явления совершенно иного рода и объясняется законами течения жидкостей в трубках и каналах.

На рис. 215, б представлены два судна, движущиеся рядом в спокойной воде, или, что сводится к тому же, два судна, стоящие рядом и обтекаемые водой. Поток более стеснен в пространстве между судами, и скорость воды в этом пространстве больше, чем по обе стороны судов. Поэтому давление воды между судами меньше, чем по обе стороны судов; более высокое давление воды, окружающей суда,.

Рис. 215. Положение «Олимпика» и «Гаука» перед столкновением (а) и пояснение причины их столкновения (6 и в) сближает их. Моряки очень хорошо знают, что два корабля, идущие рядом, сильно притягиваются друг к другу.

Более серьезный случай может иметь место, когда один корабль идет за другим, как представлено на рис. 215, в. Две силы F и F, которые сближают корабли, стремятся повернуть их, причем судно В поворачивается к, А со значительной силой. Столкновение в таком случае почти неизбежно, так как руль не успевает изменить направление движения корабля".