▲ Ламинарные воздушные потоки вокруг обтекаемой машины. Это потоки вокруг автомашины с обтекаемым корпусом, которые мы видим в аэродинамических трубах. Линии тока сжимаются над корпусом автомобиля, но снова расходятся на практически первоначальную величину за ним. К сожалению, несмотря на все старания дизайнеров, даже эти потоки несколько деформируются, особенно в нижней части за автомобилем.
У спортивных машин улучшенная управляемость за счет перераспределения воздушных потоков, которые их обтекают. На многих из них в передней части устанавливают «юбки передних бамперов» (которые предотвращают попадание ненужных потоков под автомобиль) или задние спойлеры (на багажнике или задней части автомобиля – сглаживают турбулентные завихрения за ним). У спорткаров «Формулы-1», оборудованных такими спойлерами, возникает большая прижимная сила. На скорости в 240 км/ч она составляет значения, вдвое превышающие собственный вес автомобиля. Поэтому часто говорят, что такие машины могут «ездить по потолку». Недостаток спойлеров в том, что они усиливают сопротивление воздуха. Но существуют различные подобные устройства, которые меняют угол наклона, позволяя при необходимости повышать прижимную силу машины или снижать аэродинамическое сопротивление.
Ровные ламинарные воздушные потоки можно видеть не только на примере автомобилей и вообще воздуха. Их также можно наблюдать на спускающихся в море красивых песчаных пляжах. После того как волны исчезают около берега и вода поднимается по песку вверх ровным потоком, вниз она сбегает несколькими параллельными слоями. Нижние могут стекать в море, а верхние – только направляться к берегу. При этом скорости у них разные. Это ламинарные потоки: слои воды скользят друг по другу, как прозрачные блестящие стекла, без видимых следов взаимодействия или смешения. Ламинарные потоки можно наблюдать и в медленно текущих реках. Их скорость растет от каменистого дна, где она минимальна, к более верхним слоям, где вода бежит быстрее.
Турбулентные потоки
Разумеется, и воздушные, и водные массы не всегда движутся ровно. Если вы едете в грузовике, а у него нет соответствующих устройств, сглаживающих воздушные потоки, его капот врезается в воздух и частично останавливает их, тогда как другие минуют его. В результате возникают завихрения воздуха, которые называются турбулентными потоками. Они организуются хаотически и создают для двигающихся мимо них объектов значительное сопротивление. Турбулентные завихрения получают энергию от вашего грузовика, поэтому и замедляют его. Их сопротивление буквально крадет у вас энергию.
Если вы хороший пловец кролем, вы знаете, что лучшая техника – вытянуть тело и сделать его максимально обтекаемым, чтобы оно создавало в воде как можно меньше завихрений. Если вы поднимете голову и не выпрямите спину, то создадите вокруг себя турбулентные потоки, которые будут замедлять ваше движение, крадя у вас энергию и приводя к усталости. Плавать на открытой воде труднее, чем в бассейне, потому что к течениям добавляются ветер и волны, которые повышают турбулентность потока. По моему опыту, когда вы плывете в открытом море, положение вашего тела уже не играет такую важную роль[254].
▲ Турбулентные потоки вокруг необтекаемого грузовика. Как и в случае с легковым автомобилем, потоки воздуха пытаются обтечь грузовик. Но многие ударяются о его необтекаемый корпус и отбрасываются назад, причем каждый слой воздуха захватывает соседние, вызывая сильные турбулентные завихрения. Борьба с таким сопротивлением воздуха требует затрат энергии. Чем активнее грузовик пытается преодолеть сопротивление, тем больше энергии теряет. Поэтому на большие грузовики поверх кабины устанавливаются спойлеры, которые снижают сопротивление встречного воздуха почти на четверть, хотя и увеличивают массу машины. Обтекатели перед колесами грузовика могут снизить сопротивление еще на 10 %[255].
Как заставить турбулентные потоки работать у вас дома
Понимание того, что газы и жидкости движутся либо в ламинарных, либо в турбулентных потоках (или в комбинации обоих), помогает нам объяснить многое. Теперь вы наверняка сможете сказать, что при сдувании пыли с книжной полки воздух движется в ламинарных потоках, очень похожих на потоки воды в медленной реке. Каждый следующий слой движется чуть быстрее предыдущего, а тот, что непосредственно примыкает к поверхности полки, практически неподвижен. Теоретически вам было бы гораздо легче очистить полку от пыли, если бы вы смогли сделать поток воздуха, направленный на нее, турбулентным или хотя бы комбинированным. Но как этого добиться? Вы могли бы применить метод попеременного всасывания и выброса воздуха, или метод обдувания с различных направлений, или какой-то другой прием, который заставил бы воздух у поверхности двигаться. Например, подуть на полку через соломинку. Но на практике оказывается, что электростатическое притяжение между пылинками и полкой слишком сильно и самый действенный способ освободить ее от пыли – протереть ее влажной тканью или щеткой.
Как избежать помешивания чая
Теперь, когда мы познакомились с тонкостями ламинарных и турбулентных потоков, вы поймете: мешать чай не нужно. Когда вы мешаете жидкость – чай, кофе, краску или соус, – то обычно помещаете в сосуд с ними какой-то предмет и вращаете его. Но при этом вы создаете круговые ламинарные потоки, которые не перемешиваются.
Джон Демосс и Кевин Кэхилл из университета Нью-Мексико придумали удивительный (и трудный для описания) опыт, который вы можете изучить в интернете[256]. Один из ученых вводит в сосуд с кукурузным сиропом сверху три порции пищевого красителя, которые располагаются на разной высоте в разных местах. Ученый поворачивает сосуд на определенное число оборотов вдоль его вертикальной оси. Мы видим, что три «кляксы» красителя при этом превращаются в три идеальные продольные линии разных цветов. Затем исследователь поворачивает смеситель на такое же число оборотов назад. О чудо! Краситель отделяется от сиропа и превращается в три изначальные «кляксы».
