2.120. Разливаем жидкости: перевернутый стакан и ярд для эля

В широкий стакан с отвесными боковыми стенками нальем немного, не до самого края, воды. Вырежем из картона квадрат, которым можно прикрыть стакан сверху. Накроем стакан картонкой и, разведя пальцы как можно шире, прижмем ее одной рукой к краю стакана. Другой рукой быстро перевернем стакан. Теперь уберем руку с картонки. Направленная вниз гравитационная сила действует и на картон, и на воду, но и картонка остается на месте, и вода не выливается. Почему?

Если убрать картон или он сам чудесным образом исчезнет, вода выльется из стакана. Чем эта ситуация отличается от той, когда стакан закрыт картонкой? Почему, если сосуд узкий (например, флакон с духами), вода из него не вытечет?

Ярд для эля — название особого стакана для пива (рис. 2.37) высотой в один ярд, то есть чуть больше 90 см. (Существуют стаканы той же формы, но пониже.) Обычно, когда вы пьете из стакана, вы подносите его к губам и, контролируя процесс, наклоняете стакан так, чтобы немного жидкости вылилось в рот. Почему, если вы попробуете проделать то же самое с ярдом для эля, то прольете пиво на себя? Как правильно пить пиво из такого стакана?

Рис. 2.37 / Задача 2.120. Ярд для эля.

ОТВЕТ • Когда вы переворачиваете прикрытый картонкой стакан, столб воды немного опускается, благодаря чему понижается давление воздуха, оставшегося в стакане. Значит, сверху давление на воду в стакане меньше атмосферного давления снизу, и этой разности давлений достаточно, чтобы удержать ее в стакане. Можно быть уверенным, что вода опустилась, поскольку картонка прогнулась вниз. При контакте воды, картона и края стакана возможна еще и адгезия — сцепление поверхностей разнородных тел. Но, чтобы удержать воду, силы сцепления недостаточно. Если попробовать повторить этот опыт, но вместо картона взять какой-нибудь негнущийся материал, столб воды не сможет опуститься и вода просто разольется.

Если картонка неожиданно исчезает, давление воздуха по-прежнему может удерживать воду в стакане. Ничего не меняется в наших рассуждениях о силах, поддерживающих столб воды. Однако теперь система неустойчива относительно любых возмущений, которые возбуждают волны, распространяющиеся вдоль поверхности соприкосновения воды и воздуха. На нижних участках (долинах) таких волн вода стремится опуститься вниз, на участках сверху (гребнях волны) воздух стремится продвинуться вверх. Одна из волн быстро нарастает, и воздух движется вверх по одной стороне стакана, а вода движется вниз по другой.

Двигающийся вверх воздух стремится оторваться от поверхности воды снизу и образовать пузырек, а двигающаяся вниз вода стремится оторваться от верхней поверхности и образовать каплю. Пока пузырек поднимается, а капля опускается, поверхность раздела «воздух — вода» стремится восстановить свою прежнюю форму, но она слишком неустойчива. Поэтому вверх один за другим поднимаются пузырьки воздуха, а вниз из стакана капают капли. Такой колебательный процесс опорожнения стакана по-английски называют glug-glug, используя звукоподражательный термин. На русский это можно перевести как «процесс буль-буль».

В узком сосуде поверхность воды нечувствительна к случайным возмущениям, потому что ее стабилизирует поверхностное натяжение. Именно сцепление молекул воды на поверхности со стенками стакана способно загасить волны, вызванные возмущением.

Когда пьют пиво из стакана ярд для эля, именно «процесс буль-буль», бульканье, может стать причиной неприятностей. Узкое горлышко стакана не позволяет воздуху легко подняться в стакан, чтобы жидкость могла выливаться. При этом нестабильность на поверхности раздела «жидкость — воздух» может неожиданно привести к образованию большого воздушного пузыря, который, поднявшись вверх, в стакан, позволит вылиться оттуда слишком большой порции жидкости, которую не удастся ни удержать во рту, ни быстро проглотить. Люди, умеющие мастерски управляться с ярдом для эля, знают, что, наклонив стакан, надо проворачивать его узкое горлышко между поднятыми вертикально вверх руками. При этом образуется воронка, приподнимающая жидкость вблизи стенок горлышка стакана, что позволяет воздуху проходить вдоль центральной оси. Теперь воздух легко попадает в стакан, а пьющий легко контролирует, сколько выливается жидкости.