Так что физику побаиваются и уважают. Уважали раньше, уважают и сейчас. Но, как говорилось в одном старом анекдоте, «не за это мы любим Петра Ильича Чайковского». Вот и в физику влюбляются не за то, что с ее помощью были приготовлены самые убийственные (и, как оказалось, самоубийственные тоже) виды оружия. В науку эту влюбляются потому, что она просто и ясно может ответить на самые разнообразные вопросы. В том числе и на вопросы «детские», один из которых сформулирован в заглавии.
К слову сказать, именно ответы на такие, незамысловатые с виду, вопросы отыскать, как правило, совсем не просто.
Итак, чайник, только поставленный на огонь, начинает громко шуметь. Кстати, с электрическим чайником происходит то же самое: шумит. Значит, не в том дело, что чайник поставлен на огонь. Дело в том, что вода в нем нагревается.
А вот после того, как вода, наконец, закипает, характерный шум прекращается. То есть шум имеет место быть, но изменяется характер этого шума. Мы слышим бурление воды, мы слышим, как свистит пар, вырывающийся из носика чайника. Эти шумы объяснить может и первоклассник. А вот что производит шум в самом начале нагрева воды? Ответим на этот первоклассный вопрос.
Вода — плохой проводник тепла, это известный факт из области законов физики. Вода в чайнике нагревается быстро только за счет перемешивания, или, по-научному говоря,
Но когда нагревание только начинается, конвекция в чайнике еще не установилась. Поэтому слой воды, который находится рядом с нагревающей поверхностью (то ли у днища чайника, то ли около нагревательного элемента), очень быстро нагреется до температуры кипения. А те слои воды, которые располагаются от нагревателя подальше, все еще будут достаточно холодными. Вследствие этого в придонном слое, уже нагревшемся до кипения, образуются пузырьки пара.
Пузырьки эти легче воды, они отрываются от дна и поднимаются в верхние слои, гораздо более холодные. В холодном слое пар, находящийся в пузырьке, охлаждается, и происходит его конденсация, он обратно превращается в воду. Внутри пузырька образуется вакуум. Под давлением окружающей жидкости пузырек «схлопывается». При схлопывании пузырька производится характерный звук.
Множество хлопков «умирающих» пузырьков и производит тот самый шум, который мы слышим в начале закипания чайника.
Схлопывание пузырьков воздуха в жидкости называется кавитацией.
Кавитация встречается не только при нагревании воды в чайнике. Пузырьки образуются также на поверхностях, быстро движущихся в жидком потоке. При определенном значении скорости вязкой жидкости в ней образуются пустоты. А если в жидкости растворен воздух, то этот воздух испарится внутрь образовавшейся пустоты.
Так вокруг вращающегося в воде винта корабля образуется шлейф из воздушных пузырьков. Эти пузырьки либо отрываются от шлейфа и всплывают, либо лопаются, когда винт настигает их. Причем схлопывание этих пузырьков происходит на поверхности винта и приводит не только к характерному звуку (который хорошо прослушивается с помощью эхолотов), но и наносит по поверхности довольно сильный удар.
Серия этих ударов приводит к разрушению поверхности винта. Первоначально гладкая поверхность становится «изъеденной» и требует ремонта. На правильно рассчитанной поверхности винта пузырьков образуется меньше. В результате гребной винт меньше разрушается и меньше шумит. Материал, из которого изготовлен гребной винт корабля и его форма (а еще лучше, алгоритм расчета этой формы) — это то, над чем настойчиво работают кораблестроители, и одновременно то, за чем охотятся промышленные и военные шпионы.
Кавитация не только вредна, но и приносит пользу. Она используется, например, для очистки поверхностей. Источник ультразвука погружают в жидкость, в результате чего на очищаемой поверхности массово образуются и лопаются пузырьки. Серия микровзрывов — и поверхность идеально чиста.
Человеческое тело не менее чем на 70% состоит из воды. Значит, кавитация возможна и здесь. Если правильно настроить источник ультразвука, то кавитационный эффект можно сфокусировать на человеческих органах и, например, разрушить камни в различных органах без сложных операций. Или производить растворение жира. Эффективное похудение — мечта многих женщин.
Однако мы далеко в сторону ушли от закипающего чайника. Увлекательная наука физика, но давайте не слишком увлекаться.
Движение пузырьков с паром от дна чайника к поверхности воды инициирует конвекцию. В чайнике начинается перемещение вверх горячей, а значит, более легкой, воды. Соответственно, вода холодная опускается вниз, для нагревания. Начинается круговорот воды. Благодаря ему происходит интенсивное перемешивание, и вода очень быстро нагревается.
Всего за несколько минут все содержимое чайника достигает температуры кипения. Пузырьки пара по-прежнему всплывают на поверхность, но уже не схлопываются там, а просто лопаются. При этом «мелодия» чайника становится совсем другой. Все слышат, что он кипит. Значит, урок прикладной физики закончен, пора идти пить чай.