«Когда уляжется пыль» – парадоксальное клише, по крайней мере у меня дома. А когда пыль вообще делает еще что-нибудь, и если да, то почему? Если в вашем доме постоянные сквозняки, почему всё покрывается пылью и грязью? А машины? Почему они становятся такими грязными, хотя целыми днями обдуваются сильными потоками ветра или дождя? Почему эта невидимая гигантская автомойка не обеспечивает их блеска?
Научные ответы на все эти вопросы связаны с еще одним досадным моментом, который постоянно раздражает меня и в быту: с тем, как люди всегда готовят чай и кофе неправильно. Дело не в том, когда нужно добавлять молоко, и не в этикете, а в том, как люди размешивают напитки после того, как все ингредиенты уже в чашках. Если пыль и размешивание кажутся вам не связанными между собой, то что вы скажете о воющих турбинах, храпящих сонях и кусочках моркови в супе-пюре, который по идее должен быть идеально протерт? Оказывается, всё это связано с тем, как потоки жидкостей и газов движутся вокруг нас. И всё это – одна и та же наука.
Как не дать дому запылиться
Забудем о том, откуда берется пыль, и подумаем, как избавиться от нее.
Когда вы сталкиваетесь с чем-то по-настоящему пыльным, то инстинктивно пытаетесь сразу сдуть эту пыль. И вот вы вдыхаете полную грудь воздуха, раздуваете щеки, как Луи Армстронг, и сильно дуете. Что происходит? Немного пыли улетает, но гораздо больше остается – по двум совершенно разным причинам.
Во-первых, пыль очень мелкая. Вы, наверное, читали о шахтерах, которые имеют серьезные проблемы с легкими из-за постоянного попадания в них угольной пыли, в результате чего развивается заболевание под названием пневмокониоз. Или о детях, у которых под влиянием вредных автомобильных выбросов обостряется астма. Частицы пыли могут быть поразительно малы: наиболее опасные из них известны под названием РМ10 (меньше 10 микрон (миллионная доля метра) в диаметре, что в 5–10 раз меньше диаметра человеческого волоса)[251]. Чем субстанция меньше и легче, тем увереннее она удерживается на поверхности предметов благодаря статическому электричеству, которое вызывает адгезию (см. главу 6). Пыль собирается на поверхности вещей, потому что она мелкая и легкая. И собирается она слоями.
Вторая причина, по которой пыль нелегко сдуть, гораздо интереснее. Мы во многом походим на животных, но отличаемся от них прежде всего тем, что ходим на задних ногах. Поэтому кое-чего не видим в окружающих нас атмосферных условиях, а именно: чем мы выше, тем сильнее овевает нас ветер (может, это явление не столь заметное, но оно существует). Для нас очевидно, что чем объект выше от земли, тем сильнее на него воздействует ветер. Это заметно при прогулках по холмам. На уровне почвы скорость ветра практически равна нулю[252]. Под уровнем почвы я имею в виду высоту буквально в несколько атомов от поверхности земли. Низкие травы могут колыхаться под порывами ветра, но, с научной точки зрения, движения воздуха в непосредственной близости от земли нет – даже при ветре в 10 баллов. Это, в частности, объясняет, почему ветровые энергетические установки такие высокие. При увеличении диаметра их лопастей вдвое их мощность возрастает на треть[253].
Когда вы дуете параллельно какой-то поверхности вроде книжной полки, мини-поток воздуха, срывающийся с ваших губ, имеет определенную скорость. Но на самой границе с поверхностью, скажем на расстоянии одного атома от нее, воздушный поток вообще не имеет скорости. Она растет постепенно по мере увеличения расстояния от поверхности и приближения воздуха к слою, называемому граничным. Выше его скорость воздуха постоянна. Вы не можете сдуть всю пыль с книжной полки, потому что нижний ее слой остается на небольшом удалении от поверхности, где воздух не движется совсем. Конечно, чем сильнее вы дуете, тем выше вероятность того, что вам удастся сместить верхние слои пыли. Но вы не можете сдуть «пыль с пыли», потому что какой-то ее слой обязательно останется.
Тот же принцип действует и в отношении вентиляторов. Приходилось ли вам замечать, какими грязными через некоторое время работы становятся их лопасти, хотя они с огромной скоростью разрубают воздух, делая несколько сотен оборотов в минуту? Объяснение такое же: воздух в непосредственной близости от лопастей вентилятора не движется вовсе. Постоянное вращение создает на лопастях электростатическое поле, которое еще сильнее притягивает пыль. Механизм образования пыли на книжных полках и лопастях вентилятора действует и для автомашин. Когда автомобиль движется, вокруг него создаются воздушные потоки. Хотя ветер несется вам навстречу почти с такой же скоростью, которую показывает спидометр, непосредственно на металлической поверхности корпуса автомобиля она равна нулю. Именно поэтому пыль и убитые насекомые остаются на ней – в граничном слое – до тех пор, пока вы не возьмете влажную губку, чтобы стереть их.
Вместе с потоком
С виду вода и воздух очень разные, но при движении в скоростном потоке они ведут себя похоже. Мы объединяем жидкости и газы и называем их текучими средами. Наука, их изучающая, называется гидрогазодинамикой. Аэродинамика – ее подраздел, занимающийся изучением движения воздуха, в частности движения машин с минимальным сопротивлением. В текучих средах, в том числе воздухе, интересно то, что они могут течь либо «плавно», либо «турбулентно».
Плавное, безвихревое обтекание
Когда вы несетесь по шоссе на Ferrari, воздух обтекает его поверхность ровными изогнутыми линиями, известными под названием линий тока. Когда мы говорим, что машина «обтекаемая», то подразумеваем, что ее могут обтекать воздушные потоки и она имеет низкое сопротивление воздуху. Машина с идеальной аэродинамикой оставляет за собой воздушные потоки, которые не сильно отличаются от встречных воздушных потоков. При таком движении воздух обтекает автомашину почти параллельными потоками (слоями). Мы называем их ламинарными (состоящими из параллельных слоев, как ламинатные полы).
