2.100 Волны на льющейся струйке воды

Подставьте палец под тоненькую (несколько миллиметров в диаметре) струйку воды из крана. Если расстояние от пальца до крана попадает в некоторый интервал значений, на струйке сразу над пальцем появляется рябь (рис. 2.30). С чем связано появление этих небольших волн? Почему, если сначала опустить палец в жидкое моющее средство, волны образуются выше по струе, а не у ее основания?

Рис. 2.30 / Задача 2.100. Стоячие волны на льющейся струйке воды.

ОТВЕТ • Рябь обусловлена соударением льющейся струйки с пальцем. Это одна из разновидностей так называемых капиллярных волн, где колебания возникают благодаря поверхностному натяжению, обусловленному взаимным притяжением молекул воды. В нашем случае капиллярные волны распространяются вверх по струе со скоростью текущей вниз воды, и поэтому мы видим стоячие волны. Если заменить кран сосудом, из которого вытекает вода через дырочку в дне, скорость воды будет уменьшаться при уменьшении уровня воды в сосуде. Уменьшение скорости приводит к увеличению длины волны (расстояния между последовательными всплесками), а затем струя становится нестабильной и распадается на капли.

Такие волны существуют благодаря достаточно большому поверхностному натяжению воды. Добавление жидкого мыла понижает поверхностное натяжение. Если палец сначала окунуть в мыло, а потом подставить под струю, внизу струи часть мыла смешается с водой, уменьшив ее поверхностное натяжение настолько, что волны здесь образовываться не будут. Теперь снизу течение спокойное, как в трубе, а сверху, над этим участком, образуется рябь.