Читать книгу "Легко ли плыть в сиропе. Откуда берутся странные научные открытия - Сергей Комаров"

Видимо, обсуждение этого животрепещущего вопроса перешло в такую бурную стадию, что Касслер и Геттельфингер для примирения сторон решились на постановку натурного эксперимента. От соленой воды отказались по той причине, что увеличение ее вязкости относительно невелико и эффект, если он будет обнаружен, мог попасть в коридор ошибок. Нужно было радикальное увеличение вязкости раствора – так родилась идея сладкого сиропа, вероятно, во время поедания блинчиков с кленовым сиропом.

Но тут возникли две технические проблемы. Для надежного измерения скорости плавания дистанция должна быть достаточно большой, как минимум 25 м или ярдов, так как дело происходило в США. А это полноценный плавательный бассейн для соревнований. Причем желательно иметь два таких бассейна, один с сиропом, другой – с обычной водой, чтобы проводить сравнительные испытания в идентичных условиях. А еще лучше – несколько плавательных бассейнов разного объема, чтобы избежать влияния глубины на скорость пловца. То, как удалось исследователям уговорить администрацию выделить им университетский плавательный комплекс для проведения эпохального эксперимента, навсегда осталось загадкой.

Вторая проблема – сладкий состав для плавания. Первым на ум пришел кукурузный сироп. Нашлись и спонсоры, готовые предоставить необходимую для эксперимента тысячу тонн этого вещества, благо его производят и потребляют в США в немереных количествах. Но смыв такого объема сладкого сиропа в канализацию вызвал бы локальную экологическую катастрофу, кроме того, плотность кукурузного сиропа существенно отличается от плотности воды, что непременно исказило бы результаты эксперимента. В конце концов решили использовать природный гелеобразователь – гуаровую камедь. Это вещество часто используют в кулинарии и пищевой промышленности, то есть для человека оно безопасно. Итак, 320 кг камеди растворили в 650 кубометрах воды бассейна, получив концентрацию 0,05 %. Плотность сиропа осталась на уровне плотности воды, а вязкость выросла в два раза.

С чем не возникло никаких проблем, так это с пловцами-добровольцами. Какой студент откажется от возможности принять участие в таком прикольном эксперименте и сделать селфи в бассейне с сиропом? После строгого отбора сформировали команду из десяти пловцов. Каждый из них сначала проплывал 25 ярдов в бассейне с тысячей кубометров чистой воды, спустя три минуты – два раза по 25 ярдов в экспериментальном бассейне и затем, приняв душ, еще 25 ярдов в таком же бассейне с чистой водой. Фиксировали не только скорость, но и такие детали, как время отталкивания от стенки и количество гребков. Результат получился однозначный: вязкость на всем этом никак не отражалась.

Этому было дано вполне научное объяснение. Влияние вязкости на движение чего-нибудь в жидкости передается числом Рейнольдса – произведением характерного размера на скорость движения, отнесенную к вязкости. Для человека оно достигает значения 600. Это значит, что для пловца главное – силы инерции, а не силы вязкости. И жидкость обтекает его тело не ламинарно, а турбулентно, то есть с завихрениями. При таком режиме затрачиваемые усилия пропорциональны квадрату скорости, вязкость же отвечает лишь за 10 % затрат энергии пловца. Вот если бы вязкость увеличить в тысячу раз – в таком сиропе плыть было бы труднее, чем в воде, но, с другой стороны, и толкаться было бы проще. А какой фактор пересилит, так и не удалось выяснить в ходе эксперимента, видимо, вследствие заботы о судьбе канализации в спортивном сооружении.

Интересно, что снижение вязкости подобных сомнений не вызывает. Оно точно облегчит плавание: менее вязкая жидкость не только хорошо обтекает тело, но и отлично сопротивляется движениям рук, то есть интенсивность создаваемых ими вихрей сохраняется. Изготовители костюмов для плавания учитывают этот эффект, обеспечивая спортсмену именно легкость обтекания, то есть дополнительно понижая число Рейнольдса.

А кто-нибудь живет в мире, где число Рейнольдса мало? Как там можно плавать? Да, такой мир существует, и не где-нибудь в мантии Земли, а непосредственно в нас самих. Это мир микроорганизмов. Из-за их размеров вода для них оказывается средой с очень малым числом Рейнольдса. Поэтому движение микробов резко отличается от движения человека или рыбы. Ведь если число Рейнольдса мало, тогда инерция не действует, и, если не прикладывать усилия, сразу остановишься. Но это еще не все: повторяющимися движениями нельзя продвинуться далеко вперед. Вот, например, кальмар, который медленно втягивает в себя воду, а затем быстро ее выбрасывает и получает ускорение. В мире с малым числом Рейнольдса этот фокус не пройдет: независимо от того, быстрое движение или медленное, при заборе воды кальмар станет смещаться назад, а при выбросе – на такое же расстояние вперед и в результате останется на одном месте. Двигаться в таких условиях можно, только если возвратных движений нет вовсе.

Такой движитель известен – это штопор. При его повороте возникает две силы. Одна направлена по касательной к штопору, эта сила для движения не нужна, хоть она и велика. Другая, гораздо меньшая, направлена вдоль оси вращения. Она-то и способна обеспечить тягу при малом числе Рейнольдса. Именно так двигаются жгутиковые микроорганизмы. А также сперматозоиды. Собственно, все мы появились на свет исключительно благодаря тому, что эти мельчайшие частички жизни приспособились быстро перемещаться в мире с малым числом Рейнольдса, энергично вращая своим жгутиком и так продвигаясь к заветной цели.

За сколько секунд можно справить нужду?

Мы не случайно посвятили столько места и времени рассказам о взаимодействии живых существ с жидкостями. Жидкости с их изменчивостью формы сами порой кажутся живыми. Можно часами смотреть на волны, бегущие по поверхности моря, или капающую из крана воду. А вот часами сидеть, уставившись в неподвижную стенку, – это, извините, диагноз. Гидродинамика с ее элегантными уравнениями и неожиданными следствиями неизмеримо интереснее сухого сопромата – так в технических вузах называют курс «Сопротивление материалов».

Не знаем, как у вас, а у нас классические гидродинамические выражения, типа "уравнение неразрывности струи" или "скорость истечения жидкости", всегда вызывали ассоциации с процессом, которому все люди предаются по нескольку раз на дню. Но эти ассоциации никогда не претворялись в желание заняться исследованием столь жизненно важного процесса – вероятно, поэтому мы никогда и не станем лауреатами Игнобелевской премии.

Не таков доцент Дэвид Ху из Технологического университета Джорджии, о котором мы уже упоминали в одном из предыдущих рассказов. Вот у него за мыслью следует слово, а слово не расходится с делом. Он, вообще-то, занимается гидродинамикой и механикой сплошных сред – науками сложными, насыщенными многоэтажными формулами, которые присущи тензорному исчислению и требуют немалого воображения. Видимо, для развития воображения он и поручает своим студентам решать весьма остроумные задачи. Например, изучить гидродинамику потока муравьев, вытекающих из носика чайника подобно потоку воды, или продемонстрировать, что лягушка при ловле мух использует на языке слизь, обладающую свойствами неньютоновской жидкости.

Несомненно, что замеченная нами ассоциация не прошла мимо внимания и доцента Ху. Но у него она породила вполне резонные вопросы: как зависит время опорожнения мочевого пузыря или кишечника от размера живого существа, освобождающегося от этих продуктов жизнедеятельности, а также от количества предварительно выпитого и съеденного? За вопросами последовали исследования: одно посвящено мочеиспусканию[17], второе – дефекации. Оба исследования произвели неизгладимое впечатление на Игнобелевский комитет, что принесло доценту Ху с сотрудниками премию по физике за 2015 год. Кратко результат формулируется так: любое животное опорожняет свой мочевой пузырь примерно за 21 секунду, а время выхода твердых экскрементов составляет в среднем 12 секунд.