Sunday Science: Стакан наполовину пуст

Да позволит Cohen запостить блог в его тематике.

Прежде чем начать, я должен ясно обозначить копирайты: данная статья не является моим трудом и даже переводом, это просто репост. Я сделал его, потому что заметка действительно интересная, ведь кто из нас не любит наблюдать, как самые обыденные ситуации превращаются в эффектное зрелище, да еще и с научным подтекстом?

Автором сего (и многих других) труда является Рэндалл Монро, сотрудник NASA. А за перевод спасибо ребятам с сайта chtoes.li, на котором вы можете найти и другие переводы его статей. Заметка про стакан показалась мне одной из самых наглядных и интересных, так что желаю получить вам максимум удовольствия!

Что будет, если стакан воды, внезапно, станет наполовину пуст?
— Витторио Иаковелла

Пессимисты, возможно, более правы чем оптимисты. Когда люди говорят "стакан наполовин пуст", они обычно имеют ввиду, что стакан содержит равные доли воды и воздуха:

Обычно, оптимисты видят стакан наполовину полным, когда пессимисты видят его наполовину пустым. Это породило кучу шуток, например: инженер видит стакан в два раза большим, чем нужно; сюрреалист видит жирафа поедающего галстук, и т.д.

Но что, если пустая половина будет действительно пустой - вакуумом? (Хотя даже вакуум не пуст по настоящему, но это вопрос к квантовой физике).

Вакуум определённо не продержится долго. Но что именно будет происходить зависит от ответа на ключевой вопрос. Никто не уточняет какая именно половина пуста. Для нашего сценария мы представим три разных полупустых стакана, и проследим что будет происходить последовательно наносекунда за наносекундой.

Посередине традиционный стакан с воздухом и водой. Справа стакан подобный обычному, только вместо воздуха - вакуум. Стакан слева наполовину полон водой и наполовину пуст, но пуста нижняя часть.

Ну, представим вакуум в начале отсчёта, t=0.

За первые несколько наносекунд ничего не произойдёт. За это время даже молекулы почти не сдвинутся.

Молекулы воздуха колеблются на скорости в пару сотен метров в секунду. Тем не менее, некоторые из них двигаются быстрее чем другие. Быстрейшие двигаются со скоростью около 1000 метров в секунду. Они первыми проникнут в вакуум в стакане справа.

Вакуум в стакане слева окружён барьерами, так что молекулы воздуха не смогут быстро пробраться внутрь. Вода в жидком состоянии не стремится занять доступный объём, как это делает воздух. Тем не менее из-за вакуума в стакане вода начинает закипать и водяной пар медленно начинает проникать в пустое пространство.

Пока поверхность воды в обоих стаканах начинает закипать, в стакане справа воздух прорывается внутрь. Стакан слева продолжает заполняться небольшими капельками воды.

Через пару микросекунд, воздух прорывающийся внутрь стакана справа полностью заполнит вакуум и создаст в жидкости ударную волну. Стенки стакана начнут слегка вибрировать, но они достаточно прочные и выдержат вибрации не разбившись. Ударная волна отразится от воды и пойдёт обратно вверх, внося свой вклад к возникшим там потокам турбулентности.

Действие ударной волны от вакуумного коллапса будет продолжаться около миллисекунды, чего будет достаточно чтобы распространиться на другие два стакана. Стакан и вода слегка прогибаются по мере того, как волна проходит сквозь них. Ещё через пару миллисекунд она достигнет человеческого уха и мы услышим громкий хлопок.

В это же время стакан слева начинает заметно приподниматься в воздух.

Атмосферное давление давит и на стакан и на воду одинаково. Это та сила, которую мы считаем силой всасывания. Вакуум справа не держится долго, так что эффекта всасывания недостаточно, чтобы поднять стакан, но поскольку воздух не может проникнуть в вакуум в левом стакане, вода и стакан начинают наползать навстречу друг к другу.

Кипящая вода заполняет вакуум очень небольшим количеством водяного пара. До тех пор, пока пространства становится меньше, увеличение количества водяного пара медленно увеличивает давление на поверхности воды. В конце концов это остановит процесс кипения, точно также, как это сделает более высокое атмосферное давление.

Тем не менее, стакан и вода сейчас двигаются слишком быстро для образования пара. Менее чем через 10 миллисекунд после начала отсчёта, они летят навстречу друг друга со скоростью в пару метров в секунду. Без воздушной амортизации между ними, ведь там только пара капелек водяного пара, вода ударяется в дно стакана как молот.

Вода действительно плохо сжимается, так что после столкновения вода не выплеснется наружу, она создаст ударную волну. Сила удара будет такой большой, что стакан разорвёт.

Этот эффект "водяного молота" (этой же природой обладает глухой стук, который можно услышать в старом водопроводе, когда вы выключите кран) часто используют в трюке для вечеринок (воспроизведённом в "Разрушителях легенд", изученном на уроках по физике и продемонстрированном в бесчиленном количестве студенческих общаг), когда бьют по горлышку бутылки, чтобы взорвать её снизу

Когда бьют по бутылке, она очень быстро опускается. Жидкость внутри не реагирует на возросшее давление моментально, точно как в нашем случае, и возникает разрыв между водой и дном. Это очень тонкий разрыв, в долю дюйма, но когда он схлопывается, удар выбивает донышко бутылки.

В нашем случае эти силы будут достаточно велики, чтобы разбить даже самые прочные стаканы.

Донышко улетает вниз вместе с водой и разбивается об стол. Вода расплёскивается вокруг, равно как и разлетающиеся во все стороны кусочки стекла.

Тем не менее, оторвавшаяся верхняя часть продолжает подниматься.

Через полсекунды, наблюдатели, услышав хлопок, вздрогнули. Их головы непроизвольно следуют за взлетающим стаканом.

Стакан набирает достаточную скорость, чтобы разбиться о потолок на мелкие кусочки...

... которые теперь возвращаются на стол.

Вывод: если оптимист говорит, что стакан наполовину полон, а пессимист, что он наполовину пуст, физик прячется под стол.