Загадки простой воды

Искусно используют закон Архимеда подводники. Если подводная лодка плывет между слоями воды с разной температурой, ее балласт подбирают таким образом, чтобы обеспечить небольшую перегрузку для теплого слоя и недогрузку для холодного. В этом случае лодка лежит на холодном слое, не нуждаясь в специальных мерах для поддержания равновесия. Для батискафа с небольшой отрицательной плавучестью слой более плотной воды может играть роль уравновешивающего «жидкого грунта».

При переходе подводной лодки из морских глубин в устье реки, подводники тщательно следят за расстоянием между лодкой и дном, так как в пресной воде выталкивающая сила Архимеда меньше, чем в морской, и при недосмотре со стороны экипажа лодка может сесть на илистый грунт речного устья.

Очень большое значение закон Архимеда имеет в технике бурения. Буровая колонна для бурения глубоких скважин уже на глубине 5 км в воздухе имела бы вес 226 тонн. Однако в промывочной жидкости плотностью 2 г/см3 в соответствии с законом Архимеда вес буровой колонны будет сильно уменьшен. Алюминиевые трубы «теряют» в весе в этих условиях до 50%. Подбором промывочной жидкости можно намного уменьшить вес буровой колонны. Это в огромной степени способствует успеху бурения.

Используя законы гидростатики, человек все полнее познает условия жизни в водной среде и все больше подчиняет водную стихию своей власти.

Рифели

Рифели – это знаки мелкой волновой ряби. Они существуют на Земле со времени появления сыпучих сред – песка и снега. Их отпечатки встречаются в древних геологических пластах (иногда вместе со следами динозавров). Первые научные наблюдения над рифелями были сделаны Леонардо да Винчи.

В пустынях расстояние между соседними гребнями волновой ряби изменяется в пределах от 1 до 12 см (чаще 3...8 см) при глубине впадин между гребнями в среднем 0,3...1 см. Размеры находящихся на рифелях песчинок составляют 0,3...0,05 мм. Средняя высота подъема переносимых ветром песчинок обычно 10...20 см, выше 1 м песчинки поднимаются редко.

Для подводных рифелей, которые образуются в прибрежной зоне морей и рек, расстояние между соседними гребнями находится в пределах 5...30 см (чаще 6...12 см) при глубине впадин 0,5...5 см. На илистом дне расстояние между соседними гребнями ряби может уменьшиться до 0,5 см. В среднем течении Волги отлагающиеся на дне песчинки в основном имеют размеры 0,5...0,005 мм (весь диапазон отложений от 2 до 0,001 мм). Подводные рифели могут возникать сразу после начала движения наиболее мелкого песка, когда скорость потока достигает лишь 0,25 м/сек, при скорости 0,46 м/сек картина подводной волновой ряби получает полное развитие. По достижении потоком скорости 0,75...0,8 м/сек подводные рифели полностью размываются и исчезают. По некоторым данным размывание рнфелей может начаться уже при скорости потока 0,46 м/сек.

На поверхности снежного покрова среднее расстояние между соседними гребнями ряби находится в пределах 5...40 см при глубине впадин 1...20 см. В этом случае рифели образуются как при переносе воздушным потоком сухого мелкозернистого снега с размером зерен 0,2...0,4 мм, так и при осаждении из послеметельных потоков столбиков льда, пластинок и различных продуктов разрушения ледяных кристаллов размером 0,1...0,15 мм. При скорости ветра менее 2 м/сек на высоте 5 см над поверхностью снежного покрова переноса снежинок не происходит. Опыт показывает, что снежная рябь образуется после примерно часовой работы потока.

За счет влияния взвесенесущего потока рифели всех видов приобретают асимметричный профиль: в направлении потока гребни имеют более крутой склон, чем в противоположном направлении. На больших глубинах на дне морей, где течения сказываются в меньшей мере, рифели имеют симметричный профиль. После образования рифели могут оказывать обратное влияние на пограничный поток, усиливая его волновой характер и способствуя сортировке отложений по степени крупности. Более крупные частицы откладываются на гребнях, а более мелкие – в углублениях. С увеличением скорости потока расстояние между соседними гребнями рифелей возрастает, особенно на поверхности снега.

Существует мнение, что рифели образуются за счет пульсаций содержания твердой взвеси во взвесенесущем потоке. В метелевых потоках наблюдаются крупномасштабные пульсации концентрации твердой фазы с частотой 0,3...1 Гц и пульсации меньшего масштаба с частотой до 5 Гц. Эти пульсации вызываются периодическими перенасыщениями и недонасыщениями двухфазного потока в связи с колебаниями его несущей способности. Пульсации водного придонного потока происходят с частотой 5...10 Гц, иногда до 20 Гц.

Поскольку турбулентные пульсации совершаются беспорядочно, они не могут дать фиксированной на свободной поверхности мелкодисперсной сыпучей среды регулярной картины мелкой волновой ряби. Явление можно объяснить приповерхностной конвекцией. Если концентрация твердой взвеси в различных участках пограничного слоя неодинакова, то благодаря диффузии с течением времени будет происходить выравнивание концентраций. Потоки выравнивания концентраций замыкаются в ячейки конвекции, которые за счет частичного отложения взвеси или захвата мелкозернистого материала с граничной поверхности и образуют гребни и впадины рифелей.

Рифели образуются при движении взвесенасыщенных потоков с небольшой скоростью. Слабое движение потока в пограничном слое выводит твердую взвесь из состояния неустойчивого равновесия и облегчает развитие конвекции. Когда частоты турбулентных пульсаций и частоты импульсов конвекции сближаются, между потоком и конвективными ячейками осуществляется эффективное взаимодействие, и в некотором диапазоне скоростей поток поддерживает существование рифелей. Однако при дальнейшем увеличении скорости потока усиливающаяся турбулентность разрушает конвекцию, и рифели постепенно ликвидируются. Возрастание расстояния между рифелями с увеличением скорости потока качественно можно объяснить увеличением коэффициента турбулентной диффузии, от величины которого при прочих равных условиях зависит размер конвективных ячеек.

Смерчи и торнадо

Вертикальные вихри в атмосфере – торнадо и смерчи – известны по описаниям в литературе с XVII века. Русское слово «смерч» происходит от слова «сумрак». Это связано с тем обстоятельством, что смерчи сопутствуют мрачного вида грозовым облакам. Принятое в США наименование вихря – торнадо возникло от испанского слова «торнадос», что означает «вращающийся». Над сушей смерчи имеют диаметр от 100 м до 1 км, иногда до 2 км, над водной поверхностью диаметр их уменьшается до 250...100 м. Как правило, смерч проходит путь 40...60 км со скоростью 10...20 м/сек, что составляет 36...72 км/час. В редких случаях его путь может быть большим, в пределе до 500 км. В 9% от общего числа наблюдавшихся смерчей было отмечено существование на небольшом расстоянии друг от друга нескольких вихрей – это «братские смерчи».

В структуре смерча различают центральную часть – ядро и периферию – мантию. Вращательное движение воздуха в ядре смерча происходит с одинаковой угловой скоростью, как в твердом теле. За пределами ядра, в мантии, угловая скорость с удалением от оси вращения постепенно уменьшается. Горизонтальная скорость воздуха в ядре вихря составляет в среднем 40...50 м/сек, иногда может достигать 100 м/сек.

В подавляющем большинстве смерчей Северного полушария вращение воздуха происходит против часовой стрелки – это связано с вращением Земли вокруг своей оси. Значительное понижение давления в ядре смерча ведет к усилению конденсации водяного пара, что способствует дальнейшему развитию вихря. Визуальная протяженность смерча по высоте составляет 0,8...1,5 км, верхняя же его часть может проникать за нижнюю кромку облака на высоту более 3 км. Благодаря высокой скорости восходящих потоков воздуха в ядре вихря (до 60...80 м/сек.), втянутые им предметы выбрасываются на расстоянии около 16 км влево от траектории движения и примерно на 30...50 км вперед от основания (вследствие трения о земную поверхность смерч при своем движении вытягивается верхней частью вперед).