Плавание тел и закон Архимеда
От Алтая до берегов Северного Ледовитого океана на протяжении более 5 тыс. км несет свои воды Обь. Весной, когда в верховьях Оби лед уже растаял, в нижнем течении река еще скована льдом, задерживающим движение талых вод.
Поэтому весной в нижнем течении Обь разливается особенно сильно.
Движение вод реки вспять возможно и по другим причинам. В 1722 году солдаты португальской армии поднимались на лодке против течения по реке Рио-Негру (приток Амазонки). Неожиданно для себя они вдруг заметили, что лодка стала двигаться против течения без помощи весел.
На самом деле в этом месте река разделилась на два потока и один из них направился для слияния с рекой, принадлежащей другой системе. Явление это в гидрологии называется бифуркацией.
В 1822 году был построен канал, соединивший приток Южной Кельтмы Джурич с Северной Кельтмой - притоком Вычегды. Из-за мелководья канал вскоре был заброшен, но Джурич по-прежнему в верхнем течении отдает часть своих вод через полузаросший канал в Вычегду и далее в Белое море, в нижнем же течении воды Джурича через Южную Кельтму, Каму и Волгу направляются к Каспийскому морю.
Наряду с наземными существуют и подземные реки. Иногда же наземные реки становятся подземными. На Южном Урале есть река Сим, которая сумела протаранить гору.
Воды этой реки подходят к горе и скрываются где-то под нею. Реку можно обнаружить снова, только перевалив через гору. В Западной Грузии одна из рек до ухода под землю имеет одно название, после же выхода из-под земли уже в другом месте она называется по-другому. До исследования этой реки считалось, что в одном месте она уходит под землю, в другом же месте выходит из-под земли совершенно независимый от нее поток.
Опыт, однако, показал, что это не так. Уральская река Вишера имеет три притока, ныряющие под землю, - Язьву, Вижай и Большую Ваю. На одном из участков Большая Вая совсем близко подходит к Вишере, но не сливается с ней, а ныряет под нее и вновь появляется на земной поверхности уже на другом - левом берегу Вишеры.
Происходит это потому, что известняки растворяются подземными водами, и под землей образуются пещеры и целые туннели. В эти пещеры и ныряют наземные реки.
В некоторых местах на земной поверхности наблюдается периодическое вытекание воды из подземных хранилищ - так называемые перемежающиеся источники. Они то бурно изливаются, то пересыхают, чтобы через некоторое время воспрянуть вновь.
Их деятельность связана с выпадением дождей в данной местности. По принципу действия перемежающийся источник представляет собой подземный сифон.
Плотины на реках создают настолько большой подъем воды, что в прилежащем к водохранилищу районе прекращается сток в реку подземных вод и возникает фильтрация воды в направлении от водохранилища. На водохранилищах с высокими плотинами давление на дно может достигать нескольких десятков атмосфер. В результате фильтрации уровень подземных вод выше и ниже плотины поднимается.
Из скважин, расположенных ниже плотины, может наблюдаться фонтанирование воды.
В развитии нашей страны речные пути сыграли не меньшую роль, чем морские в истории таких государств, как Англия, Португалия и Испания. Разливы Нила имели определяющее влияние на жизнь Древнего Египта. В связи с необходимостью регулировать движение альпийских водных потоков возникла очень важная для преобразования природы наука гидродинамика. Гидроэнергия рек обеспечила развитие мануфактур в период зарождения промышленности.
В наше время энергоресурсы рек обеспечивают не только развитие отдельных экономических районов, но даже и целых государств, таких, как Норвегия и Швейцария.
Единовременный запас воды всех рек планеты составляет 1 200 км3, при годовом стоке в океан около 36 000 км3. Около 5% стока рек за год идет на нужды людей, в основном на орошение полей.
Учитывая рост населения земного шара и возрастающие потребности промышленности в пресной воде, некоторые ученые считают, что может наступить время, когда нехватка воды будет сдерживать дальнейшее развитие общества. Поэтому нужно рационально использовать этот резерв планеты и сохранять его для будущего.
Плавание тел и закон Архимеда
Открытие основного закона гидростатики - одно из крупнейших завоеваний античной науки. Чтобы оценить значение открытия, рассмотрим примеры проявления и использования этого закона в природе, широко известного как закон Архимеда.
Воды южных морей имеют более высокую соленость и плотность, чем воды арктического бассейна. Поэтому в Арктике нередки случаи, когда воды теплых течений опускаются под холодные воды северных широт.
Например, в районе севернее Шпицбергена теплое южное течение опускается под холодные воды Ледовитого океана. Подобным же образом теплое течение Жаннетты, выходя из Берингова пролива, проходит под водами Арктики и выходит на поверхность лишь у берегов Северной Америки.
Различная соленость вод имеет большое значение для возникновения течений и в южных широтах. В Мраморном море вода более соленая и быстрее испаряется, чем в Черном.
Поэтому через Босфор в придонных слоях вода протекает из Мраморного моря в Черное, в поверхностных же слоях имеет место противоположное течение.
Подземные реки могут иметь выход не только на земную поверхность, но и на дно моря. Будучи более легкими, воды этих рек в неглубоком море могут подниматься до его поверхности, практически не смешиваясь с соленой водой.
Подобные выходы пресных вод в открытом море имеются вблизи Марокканского побережья Атлантического океана (у Агадира) и в Коринфском заливе Ионического моря - вблизи Коринфа.
Поскольку средняя плотность тела рыб близка к плотности воды, их вес вблизи основных горизонтов жизнедеятельности достаточно хорошо уравновешивается выталкивающей силой по закону Архимеда. Благодаря ритмичной работе мышц рыба может отталкиваться от воды и таким образом перемещаться. При этом по ее телу в направлении от головы к хвосту с возрастающей амплитудой пробегает плоская или винтообразная упругая волна.
Скорость распространения этой волны превышает быстроту перемещения рыбы. За счет ритмичного отталкивания от воды при распространении по телу упругой волны и осуществляется плавание рыб.
К помощи плавников рыбы прибегают только для поддержания равновесия и при медленных перемещениях.
Такие обитатели морей, как осьминог, каракатица, моллюск сальпа, при перемещении используют принцип реактивного движения - они втягивают воду в специальные мускулистые мешки своего тела, а затем выталкивают ее наружу. Благодаря этому животные получают возможность перемещаться в направлении, противоположном выбрасываемой струе.
А веслоногие, например черепахи, плавают, отталкиваясь от воды ногами.
Мелкие рыбы обычно движутся стаями. К этому их принуждает то обстоятельство, что при увеличении скорости движения близко расположенных тел по закону Бернулли понижается давление в пространстве между ними.
Давление между каждыми двумя соседними рыбами в рыбьем косяке будет меньше, чем в среде, не возмущенной движением рыбьей стаи. В этом случае рыбы будут испытывать небольшую прижимающую их друг к другу силу, и двигаться вместе.
Если бы рыбы в косяке не подчинялись действию гидродинамических сил, они затрачивали бы больше энергии для своего перемещения.
В Средиземном море, у берегов Египта, водится удивительная рыба фагак. Приближение опасности заставляет фагака быстро заглатывать воду. При этом в пищеводе рыбы происходит бурное разложение продуктов питания с выделением значительного количества газов. Газы заполняют не только действующую полость пищевода, но и имеющийся при ней слепой вырост.
В результате тело фагака сильно раздувается, и, в соответствии с законом Архимеда, он быстро всплывает на поверхность водоема. Здесь он плавает, повиснув вверх брюхом, пока выделившиеся в его организме газы не улетучатся.
После этого сила тяжести опускает его на дно водоема, где он укрывается среди придонных водорослей.
Живущий в тропических морях моллюск наутилус может быстро всплывать и вновь опускаться на дно. Моллюск этот живет в закрученной спиралью раковине.
Когда ему нужно подняться или опуститься, он изменяет объем внутренних полостей в своем организме.
У широко распространенного в Европе водяного паука, обитающего в стоячих или слабо проточных водах, поверхность брюшка не смачивается водой. Уходя в глубину, он уносит с собой приставшую к брюшку воздушную оболочку, которая придает ему запас плавучести и помогает возвращению на поверхность.
Произрастающий в дельте Волги вблизи Астрахани чилим (водяной орех) после цветения дает под водой тяжелые плоды. Эти плоды настолько тяжелы, что вполне могут увлечь на дно все растение.
Однако в это время у чилима, растущего в глубокой воде, на черешках листьев возникают вздутия, придающие ему необходимую подъемную силу, и он не тонет.
Известно, что наибольшие по размерам животные нашей планеты живут в воде. Закон Архимеда способствует тому, чтобы они не были раздавлены весом своего тела. В наше время самым крупным животным является кит, длина его может достигать 30 м. В мезозое крупнейшими были динозавры и среди них атлантозавр, длина тела которого составляла около 60 м.
Так как тела обитателей морей и рек содержат в своем составе много воды, давление в организме этих животных и в окружающей среде легко выравнивается. У рыб с плавательным пузырем такое уравнивание происходит лишь в сферах их постоянной жизнедеятельности.
При быстром подъеме из области больших глубин на поверхность водоема плавательный пузырь рыб под действием высокого внутреннего давления выдавливается наружу, что приводит к их гибели.
В Мертвом море за счет большого количества растворенных солей (более 27% по весу) плотность воды достигает 1,16 г/см3. Купаясь в этом море, человек очень мало погружается в воду, находясь как бы на поверхности, поскольку средняя плотность тела человека меньше плотности воды.
В нашей стране еще более высокая плотность воды наблюдается в заливе Кара-Богаз-Гол на Каспии и в озере Эльтон.
Для жизни под водой человек совершенно не приспособлен. На глубине 20 м под действием внешнего давления у него могут лопнуть барабанные перепонки. Опуститься же на глубину более 70 м без специального костюма человеку совершенно невозможно. (Правда,
натренированные пловцы на очень короткое время опускаются под воду на глубину до 51 м).
В человеческом организме в полости живота давление немного превышает атмосферное, в полости груди, наоборот, меньше атмосферного. Если человек, находясь неглубоко под водой, попытается дышать через узкую трубочку (тростинку или соломинку), то он может непродолжительное время это делать только при толщине находящегося над ним слоя воды менее 1 м. Дополнительное давление на человеческий организм столба воды в 1 м и более быстро приводит к полному прекращению дыхания и кровообращения.
При этом кровь переполняет сердце, а брюшная полость и ноги почти совершенно обескровливаются. В процессе же ныряния жизнедеятельность человека существенным образом не нарушается, поскольку в этом случае он набирает в легкие дополнительное количество воздуха, которое помогает ему уравновешивать давление воды на его организм.
Известный русский адмирал М.П. Лазарев неоднократно показывал матросам во время плаваний следующий любопытный опыт с бутылкой. С помощью свинцового груза порожнюю закупоренную бутылку матросы опускали под воду на глубину до 430 м. После ее подъема на палубу они с удивлением убеждались, что бутылка заполнена глубинной водой и плотно закрыта пробкой, причем верх и низ пробки поменялись местами. Это происходило за счет давления воды, которое, в соответствии с законами гидродинамики, на глубине 430 м имеет вполне достаточную для этого величину.
Опыт Лазарева представляет собой яркую демонстрацию действия давления воды на больших глубинах. Это позволяет лучше понять действие давления воды и на человеческий организм.
Многим, наверное, не раз приходилось наблюдать ледоход на реках. Еще более грандиозное зрелище представляют собой айсберги - плавучие ледяные горы больших размеров.
Айсберги - это массы материкового льда, оторвавшиеся от ледника или ледового барьера и плавающие в полярных морях и прилегающих к ним акваториях.
Средняя высота надводной части айсберга нередко достигает 50...70 м, максимальное ее значение приближается к 450 м. Наибольшая длина подводной части может доходить до 130 км. Объем надводной части айсберга составляет небольшую часть его полного объема.
Перемещаясь в более теплые воды, айсберг оплавляется снизу, в результате чего центр тяжести его перемещается выше центра, к которому приложено выталкивающее действие воды. Такой айсберг теряет равновесие и с шумом переворачивается.
При спокойном море и отсутствии ветра айсберг с подтаявшей нижней частью начинает раскачиваться, что является признаком предстоящего переворачивания. Когда айсберг находится в состоянии неустойчивого равновесия, даже работа машин находящегося поблизости корабля может дать толчок к переворачиванию.
Таяние айсбергов на южной границе северных морей вызывает некоторое понижение солености воды. В этом же районе в процессе таяния айсберги сбрасывают на дно морей захваченные ими части морен, а иногда и довольно крупные куски скал.
В средней полосе Советского Союза имеются следы подобной деятельности айсбергов, относящиеся к периоду, когда территория нашей страны была дном моря. Аналогично происходит вынос окатанной гальки на дно арктического бассейна.
Примерзая ко льду у берегов, галька вместе с льдинами уносится впоследствии в океан и опускается на его дно после таяния льда.
В некоторых реках при быстром течении за счет интенсивного перемешивания воды происходит переохлаждение отдельных участков дна. При этом переохлажденный участок дна покрывается льдом внутриводного и отчасти поверхностного происхождения. Иногда донный лед занимает значительную часть сечения реки.
Тогда река выходит из берегов, и становится возможным наводнение.
Так как подъемная сила льда пропорциональна его объему, а сила сцепления с ложем реки пропорциональна поверхности, то при отложении достаточно большого количества льда на дне он может преодолеть сцепление с ложем и всплыть на поверхность. Поднявшаяся на поверхность губчатая масса донного льда обычно содержит различные включения: камни, песок, а иногда и затонувшие якоря вместе с якорными цепями. Донный лед может возникать не только на реках, но и в неглубоких местах морей и озер (вблизи берегов), где переохлаждение достигает дна водоема.
В этом случае всплывающий лед поднимает на поверхность придонные водоросли.
Искусно используют закон Архимеда подводники. Если подводная лодка плывет между слоями воды с разной температурой, ее балласт подбирают таким образом, чтобы обеспечить небольшую перегрузку для теплого слоя и недогрузку для холодного.
В этом случае лодка лежит на холодном слое, не нуждаясь в специальных мерах для поддержания равновесия. Для батискафа с небольшой отрицательной плавучестью слой более плотной воды может играть роль уравновешивающего жидкого грунта.
При переходе подводной лодки из морских глубин в устье реки, подводники тщательно следят за расстоянием между лодкой и дном, так как в пресной воде выталкивающая сила Архимеда меньше, чем в морской, и при недосмотре со стороны экипажа лодка может сесть на илистый грунт речного устья.
Очень большое значение закон Архимеда имеет в технике бурения. Буровая колонна для бурения глубоких скважин уже на глубине 5 км в воздухе имела бы вес 226 тонн. Однако в промывочной жидкости плотностью 2 г/см3 в соответствии с законом Архимеда вес буровой колонны будет сильно уменьшен.
Алюминиевые трубы теряют в весе в этих условиях до 50%. Подбором промывочной жидкости можно намного уменьшить вес буровой колонны.
Это в огромной степени способствует успеху бурения.
Используя законы гидростатики, человек все полнее познает условия жизни в водной среде и все больше подчиняет водную стихию своей власти.
Рифели
Рифели - это знаки мелкой волновой ряби. Они существуют на Земле со времени появления сыпучих сред - песка и снега. Их отпечатки встречаются в древних геологических пластах (иногда вместе со следами динозавров).
Первые научные наблюдения над рифелями были сделаны Леонардо да Винчи.
В пустынях расстояние между соседними гребнями волновой ряби изменяется в пределах от 1 до 12 см (чаще 3...8 см) при глубине впадин между гребнями в среднем 0,3... 1 см. Размеры находящихся на рифелях песчинок составляют 0,3...0,05 мм.
Средняя высота подъема переносимых ветром песчинок обычно 10...20 см, выше 1 м песчинки поднимаются редко.
Для подводных рифелей, которые образуются в прибрежной зоне морей и рек, расстояние между соседними гребнями находится в пределах 5...30 см (чаще 6...12 см) при глубине впадин 0,5...5 см. На илистом дне расстояние между соседними гребнями ряби может уменьшиться до 0,5 см. В среднем течении Волги отлагающиеся на дне песчинки в основном имеют размеры 0,5...0,005 мм (весь диапазон отложений от 2 до 0,001 мм).
Подводные рифели могут возникать сразу после начала движения наиболее мелкого песка, когда скорость потока достигает лишь 0,25 м/сек, при скорости 0,46 м/сек картина подводной волновой ряби получает полное развитие. По достижении потоком скорости 0,75...0,8 м/сек подводные рифели полностью размываются и исчезают.
По некоторым данным размывание рнфелей может начаться уже при скорости потока 0,46 м/сек.
На поверхности снежного покрова среднее расстояние между соседними гребнями ряби находится в пределах 5...40 см при глубине впадин 1...20 см. В этом случае рифели образуются как при переносе воздушным потоком сухого мелкозернистого снега с размером зерен 0,2...0,4 мм, так и при осаждении из послеметельных потоков столбиков льда, пластинок и различных продуктов разрушения ледяных кристаллов размером 0,1...0,15 мм.
При скорости ветра менее 2 м/сек на высоте 5 см над поверхностью снежного покрова переноса снежинок не происходит. Опыт показывает, что снежная рябь образуется после примерно часовой работы потока.
За счет влияния взвесенесущего потока рифели всех видов приобретают асимметричный профиль: в направлении потока гребни имеют более крутой склон, чем в противоположном направлении. На больших глубинах на дне морей, где течения сказываются в меньшей мере, рифели имеют симметричный профиль. После образования рифели могут оказывать обратное влияние на пограничный поток, усиливая его волновой характер и способствуя сортировке отложений по степени крупности.
Более крупные частицы откладываются на гребнях, а более мелкие - в углублениях. С увеличением скорости потока расстояние между соседними гребнями рифелей возрастает, особенно на поверхности снега.
Существует мнение, что рифели образуются за счет пульсаций содержания твердой взвеси во взвесенесущем потоке. В метелевых потоках наблюдаются крупномасштабные пульсации концентрации твердой фазы с частотой 0,3...1 Гц и пульсации меньшего масштаба с частотой до 5 Гц. Эти пульсации вызываются периодическими перенасыщениями и недонасыщениями двухфазного потока в связи с колебаниями его несущей способности.
Пульсации водного придонного потока происходят с частотой 5...10 Гц, иногда до 20 Гц.
Поскольку турбулентные пульсации совершаются беспорядочно, они не могут дать фиксированной на свободной поверхности мелкодисперсной сыпучей среды регулярной картины мелкой волновой ряби. Явление можно объяснить приповерхностной конвекцией.
Если концентрация твердой взвеси в различных участках пограничного слоя неодинакова, то благодаря диффузии с течением времени будет происходить выравнивание концентраций. Потоки выравнивания концентраций замыкаются в ячейки конвекции, которые за счет частичного отложения взвеси или захвата мелкозернистого материала с граничной поверхности и образуют гребни и впадины рифелей.
Рифели образуются при движении взвесенасыщенных потоков с небольшой скоростью. Слабое движение потока в пограничном слое выводит твердую взвесь из состояния неустойчивого равновесия и облегчает развитие конвекции. Когда частоты турбулентных пульсаций и частоты импульсов конвекции сближаются, между потоком и конвективными ячейками осуществляется эффективное взаимодействие, и в некотором диапазоне скоростей поток поддерживает существование рифелей.
Однако при дальнейшем увеличении скорости потока усиливающаяся турбулентность разрушает конвекцию, и рифели постепенно ликвидируются. Возрастание расстояния между рифелями с увеличением скорости потока качественно можно объяснить увеличением коэффициента турбулентной диффузии, от величины которого при прочих равных условиях зависит размер конвективных ячеек.
Смерчи и торнадо
Вертикальные вихри в атмосфере - торнадо и смерчи - известны по описаниям в литературе с XVII века. Русское слово смерч происходит от слова сумрак. Это связано с тем обстоятельством, что смерчи сопутствуют мрачного вида грозовым облакам. Принятое в США наименование вихря - торнадо возникло от испанского слова торнадос, что означает вращающийся.
Над сушей смерчи имеют диаметр от 100 м до 1 км, иногда до 2 км, над водной поверхностью диаметр их уменьшается до 250... 100 м. Как правило, смерч проходит путь 40...60 км со скоростью 10...20 м/сек, что составляет 36...72 км/час.
В редких случаях его путь может быть большим, в пределе до 500 км. В 9% от общего числа наблюдавшихся смерчей было отмечено существование на небольшом расстоянии друг от друга нескольких вихрей - это братские смерчи.
В структуре смерча различают центральную часть - ядро и периферию - мантию. Вращательное движение воздуха в ядре смерча происходит с одинаковой угловой скоростью, как в твердом теле.
За пределами ядра, в мантии, угловая скорость с удалением от оси вращения постепенно уменьшается. Горизонтальная скорость воздуха в ядре вихря составляет в среднем
40.. .50 м/сек, иногда может достигать 100 м/сек.
В подавляющем большинстве смерчей Северного полушария вращение воздуха происходит против часовой стрелки - это связано с вращением Земли вокруг своей оси. Значительное понижение давления в ядре смерча ведет к усилению конденсации водяного пара, что способствует дальнейшему развитию вихря. Визуальная протяженность смерча по высоте составляет 0,8...
1,5 км, верхняя же его часть может проникать за нижнюю кромку облака на высоту более 3 км. Благодаря высокой скорости восходящих потоков воздуха в ядре вихря (до
60.. .80 м/сек.), втянутые им предметы выбрасываются на расстоянии около 16 км влево от траектории движения и примерно на 30...50 км вперед от основания (вследствие трения о земную поверхность смерч при своем движении вытягивается верхней частью вперед). Прохождение мощного смерча над местностью образует полосу разрушения шириной от 100 до 200 м. Наиболее тяжелые предметы поднимаются вихрем на небольшую высоту и затем отбрасываются в сторону, мелкие же втягиваются в облако.
Во время прохождения смерча через Москву в 1904 году с территории Немецкого рынка в Москве был поднят городовой. Через минуту после подъема выше находившихся поблизости домов он был сброшен на землю, избитый градом, в разорванной одежде.
В тот же день на одном из переездов подмосковной железной дороги смерч перенес на новое место железнодорожную будку вместе с путевым обходчиком.
Мощный смерч разрушает на пути своего движения дома, вырывает с корнем деревья. Неоднократно смерч поднимал на несколько секунд в воздух людей, коров и лошадей.
В 1956 году при прохождении через деревню Хутор Минской области смерч поднял высоко в воздух лошадь. Однажды поднятый смерчем человек пролетел по воздуху 500 м. Ему удалось избежать гибели только потому, что он ухватился за дерево и благодаря его ветвям смягчил свое падение.
Однако ни разу смерчу не удалось ни потопить, ни повредить морское судно.
Истощив свою энергию, смерч выбрасывает из облаков втянутые туда предметы. Именно этим и объясняются неоднократно наблюдавшиеся дожди из сельдей, медуз, лягушек, черепах. Если смерч втягивает в облако из прудов и болот красного цвета растения или микроорганизмы, наблюдаются дожди красного цвета.
В 1940 году у деревни Мещеры Горьковской области наблюдался дождь из серебряных монет.
