Каждому, в своей жизни, приходилось неисчислимое количество раз выливать воду из ведер, стаканов, чайников и других емкостей. Но кто задумался, почему вода все-таки выливается? Если попросить кого-нибудь ответить навскидку, то скорее всего мы услышим, что-то типа: "На воду действует сила тяжести и под действием этой силы вода выливается из перевернутой емкости". На самом деле физика процесса намного сложнее.
Рассмотрим 3 простых опыта.
Опыт 1. Наливаем воду в стакан и переворачиваем его. Вода выливается.
Опыт 2. Наливаем воду в стакан, накрываем листком бумаги, плотно прижимаем листок, переворачиваем стакан и отпускаем листок. Вода не выливается.
Опыт 3. Наливаем воду во флакон из-под духов и переворачиваем его. Вода не выливается.
Вот три простейших опыта, но если их рассматривать во взаимосвязи, сразу появляется много вопросов.
- Почему атмосферное давление удерживает воду в стакане, накрытом листком, но не может удержать такое же количество воды без листочка?
- Какие условия необходимы для того, чтобы атмосферное давление могло удержать воду в перевернутом сосуде без листка бумаги?
- Почему эти условия выполняются для воды во флаконе и не выполняются для воды в ведре?
Сопоставление опытов показывает, что с помощью только силы тяжести и атмосферного давления объяснить процесс вытекания жидкости не удается. Нужен еще один фактор и этим фактором становится поверхностное натяжение. Оно определяет свойства волн на нижней поверхности перевернутой жидкости. От поведения этих волн и зависит, выльется жидкость или нет.
На верхней поверхности жидкости волны всегда постепенно затухают. Это происходит из-за вязкости жидкости. На нижней поверхности перевернутой жидкости могут возникать условия, при которых амплитуда волны неограниченно увеличивается. Такие волны называются неустойчивыми.Атмосферное давление может удержать воду только если волны являются затухающими. Листок в опыте №2, как раз и не позволяет появиться неустойчивой волне, а в опыте №3 (с флаконом) неустойчивая волна не возникает из-за узости горлышка флакона, радиус которого меньше критического радиуса, позволяющего появиться неустойчивой волне. Поверхностное натяжение служит фактором затухания волны.
А вот в опыте №1 появлению неустойчивой волны ничто не мешает, резко возрастает амплитуда и вода выливается.
