Статья продается только в составе журнала

Если вы любите тосты с медом на завтрак, вы готовы к проведению одного из простейших и красивейших экспериментов по физике жидкостей. Наберите мед в ложку и держите ее в вертикальном положении на высоте нескольких сантиметров над тостом. Тонкая струйка вязкого вещества будет падать на тост не прямо, а сворачиваясь в спираль. В конце 1950-х гг. сходство образующейся структуры со свернутым в бухту канатом побудило исследователей этого явления Джорджа Барнса (George Barnes) и Ричарда Вудкока (Richard Woodcock) назвать его эффектом бухты жидкого шнура. Нас троих давно завораживал этот эффект, но возможность изучать его появилась всего десять лет назад, когда на научном симпозиуме в Париже Райб и Бонн случайно обнаружили общий интерес к этой теме. Бонн тогда сотрудничал с Институтом передовых исследований в области фундаментальных наук в Зенджане (Иран), поэтому мы пригласили в свою группу Хабиби и нескольких других исследователей: в разное время с нами работали Рамин Голестанян (Ramin Golestanian), Мания Малеки (Maniya Maleki), Ясер Рахмани (Yasser Rahmani) и Сейед Хоссейн Хоссейни (Seyed Hossein Hosseini). Вместе мы разработали контролируемый вариант эксперимента с утренним бутербродом, выбрав силиконовое масло вместо меда, поскольку диапазон вязкости различных его видов очень широк. Вязкость определяет густоту жидкости — то, насколько внутреннее трение затрудняет ее течение. Наш прибор позволял изменять такие условия течения, как интенсивность потока (расход) и высоту падения струи, и наблюдать, как они влияют на частоту (скорость) свивания. Начав работу, мы не ожидали возникновения никаких других форм, кроме свивания, которое может создаваться или не создаваться в зависимости от условий эксперимента. Поэтому мы были совершенно не готовы к тому неожиданному поведению, которое обнаружили. Например, оказалось, что при малой интенсивности струи свивание происходит тем медленнее, чем больше высота падения струи. А при большой интенсивности все происходит наоборот: с увеличением высоты падения частота свивания быстро растет. Более того, при некоторой постоянной высоте падения свивание переключается (причем, похоже, случайным образом) между двумя разными скоростями. Параллельно с этими экспериментами мы разработали математическую модель для выявления основных принципов, которые здесь работают. Начали мы с законов движения Ньютона, записанных в форме, пригодной для тонкого жидкого шнура, длина которого очень велика по сравнению с его диаметром. На любой участок такого шнура действуют две основные силы: тянущая его вниз сила тяжести и сила вязкости, т.е. внутреннего трения. Шнур может деформироваться тремя различными способами: растягиваться, изгибаться и скручиваться. И каждой из этих деформаций препятствует своя сила вязкости. Форма шнура определяется соотношением этих сил, а также силой инерции жидкости (т.е. произведением ее массы на ускорение). Силы поверхностного натяжения, важные во многих других случаях течения жидкостей, здесь влияют очень мало. Решить полученные уравнения оказалось весьма непросто. В большинстве задач в учебниках по физике границы систем задаются, и студентам нужно разобраться с тем, что происходит внутри этих границ. В отличие от этого задача о свивании жидкого шнура относится к типу задач со ≪свободной границей≫, где сама граница представляет собой часть задачи, которую требуется решить. С надлежащей осторожностью мы смогли показать, что свивание очень вязких жидкостей может идти четырьмя разными путями, которым соответствуют различные соотношения действующих сил.

Подробнее читайте на страницах журнала "В мире науки" №5_2014