Можно ли пропустить Ниагарский водопад через соломинку?

Подробности

Обновлено 11.04.2020 17:48

«В Матрице твоё сознание меняется, но ты по-прежнему остаешься физиком...»

Неверие и сомнения отбрось — очисти свой мозг для осознания нестандартных вопросов!
Присоединяйтесь к научным размышлениям!

Серьезные ответы физика на абсурдные гипотетические вопросы, возникающие порой у взрослых и детей.
Глава из книги "А что, если...?".
Автор: Рэндалл Монро — физик и программист.

Ранее
Оглавление
Далее

Настоящий ответ такой: «Ниагарский водопад не пролезет через соломинку».

Существуют пределы скорости, с которой возможно пропускать жидкость сквозь какой-то предмет. Когда жидкость качают через узкое отверстие, она ускоряется. Если же это газ, то он застопорится, когда скорость прохождения через отверстие достигнет звуковой. И тогда газ уже не сможет двигаться через отверстие быстрее — хотя все еще будет возможно пропускать больше вещества в секунду за счет повышения давления, которое сожмет газ.

Что касается воды, то ее заставляет «застопориться» совершенно другое явление. Когда жидкость течет сквозь отверстие достаточно быстро, то, согласно закону Бернулли, давление в ней падает. Вода всегда «желает» закипеть, но ее сдерживает давление воздуха. Когда же давление недостаточное, в воде образуются пузырьки пара. Это явление называется кавитацией.

Пузырьки снижают среднюю плотность проходящего через отверстие потока жидкости. Увеличив давление в попытках продавить больше воды, мы лишь усилим образование пара. Это не позволит нам прокачать большее количество воды, даже если мы повысим скорость воздушно-паровой смеси.

Кроме того, движение водного потока ограничивается еще и скоростью звука (в воде). Даже повысив давление, мы не сможем перекачивать воду быстрее этого предела. Вообще, редко удается настолько разогнать ее: «скорость звука в воде» — это очень много. А еще вода довольно тяжелая и на такой скорости склонна игнорировать повороты труб.

Итак, как сильно нужно разогнать Ниагарский водопад, чтобы он прошел через соломинку?
Хватит ли скорости звука?
Подсчитать несложно: нужно знать расход воды в водопаде и площадь сечения трубки.

Расход воды в Ниагарском водопаде составляет не меньше 2 830 м³ в секунду и контролируется законодательно. Каждую секунду из Ниагары в водопад поступает порядка 8 270 м³ воды, но основная ее масса отводится по трубам для генерации электричества. Но так как общественность сильно разозлится, если отключат самый известный в мире водопад, решено оставить около 2 830 м³ в секунду на радость туристам (по ночам и не в сезон подается 1 400 м³).

В следующие пару лет водопад могут иногда отключать — чтобы провести технические работы и, наверное, посмотреть, что прикольного можно в нем найти.

(Важное примечание. Если вы направите воду в соломинку, то нарушите соглашение от 1950 года, по которому установлено ограничение «2 830 м³ в секунду». За его выполнением следит Международный комитет по Ниагарскому водопаду, состоящий из одного американца и одного канадца. Пожалуй, ваши действия огорчат как их, так и другие упомянутые ранее комитеты, поэтому действуйте на свой страх и риск.)

Диаметр типичной соломинки — около 7 мм. Чтобы узнать, как быстро потечет вода, нужно разделить расход воды на площадь отверстия. Если полученная скорость превысит звуковую, наш поток скорее всего застопорится, а мы столкнемся с проблемами.

Получается, наша вода потечет со скоростью в четверть световой.

Хотя есть и хорошие новости: можно не беспокоиться о кавитации. Молекулы воды разгонятся настолько, что будут вызывать всякие здоровские ядерные реакции, ударяясь о стенки. При столь больших энергиях все что угодно станет плазмой, так что кипение и кавитация здесь неприменимы.

Но ситуация лучше не станет. Отдача у релятивистской струи воды будет весьма немалая. Недостаточно сильная, чтобы сдвинуть Северо-Американскую плиту на юг, но ее вполне хватит для уничтожения любого устройства, с помощью которого создается струя.

Не существует аппарата, который смог бы разогнать до околосветовой скорости такую массу воды. Подобный разгон под силу ускорителям частиц, но обычно им подается газ из небольшого баллона. Нельзя просто так взять и подключить Ниагарский водопад ко входу ускорителя: это как минимум жутко разозлит ученых.

И это к лучшему. Совокупная энергия частиц такой струи превзошла бы весь льющийся на Землю водопад солнечного света. Наш поток сравним по мощности с небольшой звездой; под действием его тепла и света температура на планете быстро поднимется, океаны выкипят, а Земля станет непригодной для жизни.

Источник: Niagara Straw, chtoes.li, CC BY-NC 2.5

Ранее
Оглавление
Далее