2.142. Гидравлический осциллятор

На рис. 2.41 изображена U-образная трубка с водой и двумя широкими входными отверстиями. Снизу центр трубки подогревается, а сверху ее колена охлаждаются. Устройство симметрично. Почему после начала нагрева и охлаждения вода в трубке начинает колебаться туда-сюда, переходя из одного колена в другое?

Рис. 2.41 / Задача 2.142. Вода колеблется из стороны в сторону.

ОТВЕТ • При нагревании плотность воды уменьшается, так что теплая вода стремится вверх. Охлаждение увеличивает плотность воды, поэтому холодная вода стремится вниз. Хотя вначале все симметрично, в результате случайного малого возмущения в одном из колен вода может подняться чуть выше. Предположим, что возмущение направило теплую воду вверх по правому колену трубки. Это позволило холодной воде в левом колене опуститься. Теперь плотность воды в колене справа меньше, чем в колене слева, так что разность плотностей позволяет еще большему количеству теплой воды подняться по правому колену, а в левом колене холодная вода опускается еще ниже.

Постепенно столб воды справа станет существенно выше столба воды слева, так что движение замедлится, остановится и продолжится в обратном направлении. Тем временем вода на дне трубки подогреется. Поскольку теперь движение происходит в обратном направлении, теплая вода будет подниматься по левому колену. Затем цикл повторится.