2.101. Водяные колокола, пленки и цепочки

Подставьте выпуклостью вверх ложку или какой-нибудь другой предмет округлой формы под спокойно льющуюся из крана струйку воды. Вы увидите, что, стекая с ложки, вода образует тоненькую пленку. Подойдет и любая плоская поверхность, например откручивающаяся пластмассовая крышечка от бутылки с газированной водой. Вставьте в крышечку два пальца, поднимите их вверх и подставьте под струю. Если вы действовали осторожно, водяная пленка, изгибаясь, почти сомкнется внизу, образуя водяной колокол (рис. 2.31). Такие изогнутые водяные пленки, напоминающие скульптуры из воды, украшают многие фонтаны. Как образуются водяные пленки?

Рис. 2.31 / Задача 2.101. Водяной колокол из пленки воды, искривленной твердой поверхностью.

Когда две тонкие струйки спокойно текут навстречу друг другу, тоже могут образовываться водяные колокола и относительно плоские водяные пленки. Если струйки вертикальны и скорость воды примерно одинакова, столкнувшись, они превращаются в симметричные пленки. Эти пленки могут либо распасться на капли, либо изогнуться, образуя колокол.

Если струйки текут вниз под углом друг к другу, могут образовываться жидкие цепочки, состоящие из ряда петелек с относительно толстым ободком. Следующие друг за другом петли взаимно перпендикулярны и образуют структуру, напоминающую звенья обычной цепи.

ОТВЕТ • Вода не растекается благодаря так называемому поверхностному натяжению — взаимному притяжению молекул воды. Пленка изгибается вниз из-за силы тяжести. Если при отрыве пленки от предмета, искривляющего ее поверхность, возникает существенная турбулентность, она становится нестабильной и рвется. Если турбулентность не слишком большая, образуется очень красивый водяной колокол.

Иногда в скульптурах из воды используют не цилиндрическую струю, а пускают воду по плоской поверхности широким, неглубоким потоком. Отрываясь от края этой поверхности и стекая вниз, поток изгибается и образует водяной занавес. Однако, если поток слишком слабый, образуется не водяная пленка, а несколько отстоящих на равные расстояния друг от друга цилиндрических струй. Расстояние между ними определяется поверхностным натяжением, собирающим воду в струи.

Тонкие пленки из воды можно получить и тогда, когда две цилиндрические струи, вытекающие из близко расположенных отверстий, текут навстречу друг другу с примерно одинаковой скоростью. При их соударении вода растекается в разные стороны, и образуется пленка. Образование этой пленки и ее поведение существенно зависит от того, как были направлены струйки непосредственно перед столкновением. Если струи были направлены вверх, но не совсем вертикально, а наклонно, под небольшим углом к вертикали, образуется вертикальный диск или эллипс. Он разрушается по периметру, разлетаясь каплями. Если струи были наклонены к вертикали на разные углы, пленка приобретает форму листа.

Струи могут образовывать жидкие цепочки. В этом случае они, сталкиваясь, расходятся в разные стороны, но между ними остается тонкая, соединяющая их пленка. Поверхностное натяжение разворачивает струи обратно в направлении друг к другу. Они опять сталкиваются, а затем опять расходятся в разные стороны, но теперь в плоскости, перпендикулярной той, в которой образовалось первое звено цепочки. Вода продолжает стекать вниз, и сила соударения, как и ширина звеньев цепочки, уменьшается, пока она не превратится в одну цилиндрическую струю.