Що буде, якщо стакан води раптово стане наполовину порожній?
Песимісти, можливо, більшу рацію, ніж оптимісти. Коли люди говорять «стакан наполовину порожній», вони зазвичай мають на увазі, що стакан містить рівні частки води і повітря:
Оптиміст і песиміст сидять за столом з наполовину повним або наполовину порожнім склянкою між ними. Оптиміст думає: «О-о-о! Водичка! Готовий посперечатися, ми її вип'ємо », в той час як песиміст думає:« Коли я п'ю воду я відкладаю свою смерть, але це не запобігає її ».
Зазвичай оптимісти бачать склянку наполовину повним, коли песимісти бачать його наполовину порожнім. Це породило купу жартів, наприклад: інженер бачить склянку розміром в два рази більше, ніж потрібно; сюрреаліст бачить жирафа, який поїдає краватку і т. д.
Але що, якщо порожня половина буде дійсно порожній - вакуумом. (Хоча навіть вакуум не пустили по-справжньому, але це питання до квантової фізики.)
Вакуум безумовно не протримається довго. Але що саме буде відбуватися, залежить від відповіді на питання, яким зазвичай ніхто не задається: «Яка половина порожня?»
Уявімо три різних напівпорожніх склянки і простежимо мікросекунда за мікросекунди, що буде з ними відбуватися.
Три напівпорожніх склянки з водою.
Посередині традиційний склянку з повітрям і водою. Справа стакан подібний звичайному, тільки замість повітря - вакуум. Стакан зліва наполовину повна водою і наполовину порожній, але порожня нижня частина.
Ну, уявімо вакуум на початку відліку, t = 0.
Три напівпорожніх склянки з водою. Час t = 0.
За перші кілька наносекунд нічого не відбудеться. За цей час навіть молекули майже не зрушать.
Три напівпорожніх склянки з водою. Час t = 50 нс.
Молекули повітря коливаються на швидкості в пару сотень метрів в секунду. Тим не менш, деякі з них рухаються швидше, ніж інші. Найшвидші рухаються зі швидкістю близько 1000 метрів в секунду. Вони першими проникнуть в вакуум в склянці справа.
Вакуум в склянці зліва оточений бар'єрами, так що молекули повітря не зможуть швидко пробратися всередину. Вода в рідкому стані не прагне зайняти доступний обсяг, як це робить повітря. Проте через вакууму в склянці вода починає закипати, і водяна пара повільно починає проникати в порожній простір.
Три напівпорожніх склянки з водою. Час t = 150 нс.
Поки поверхню води в обох склянках починає закипати, в склянці справа повітря проривається всередину. Стакан зліва продовжує заповнюватися невеликими крапельками води.
Три напівпорожніх склянки з водою. Час t = 400 нс.
Через пару мікросекунд в склянці справа повітря, що проривається всередину, повністю заповнить вакуум і створить в рідини ударну хвилю. Стінки склянки почнуть злегка вібрувати, але вони досить міцні і не розіб'ються, витримавши вібрації. Ударна хвиля відіб'ється від води і піде назад вгору, вносячи свій внесок в виникли там потоки турбулентності.
Три напівпорожніх склянки з водою. Час t = 1 мс.
Дія ударної хвилі від вакуумного колапсу триватиме близько мілісекунди, цього достатньо, щоб вона поширилася на інші дві склянки зліва. Стакан і вода злегка прогинаються у міру того, як хвиля проходить крізь них. Ще через пару мілісекунд хвиля досягне людського вуха, і ми почуємо гучний хлопок.
Три напівпорожніх склянки з водою. Час t = 2 мс.
В цей же час стакан зліва починає помітно підніматися в повітря.
Атмосферний тиск тисне і на стакан і на воду однаково. Це та сила, яку ми вважаємо силою всмоктування. Вакуум справа не тримається довго, так що ефекту всмоктування недостатньо, щоб підняти склянку, але оскільки повітря не може проникнути в вакуум в лівому стакані, вода і стакан починають наповзає назустріч один до одного.
Три напівпорожніх склянки з водою. Час t = 5 мс.
Кипляча вода заповнює вакуум дуже невеликою кількістю водяної пари. Вакуумного простору стає все менше, що збільшився в кількості водяна пара повільно підсилює тиск на поверхні води. Зрештою це зупинить процес кипіння, точно також, як це зробить більш високий атмосферний тиск.
Три напівпорожніх склянки з водою. Час t = 8 мс.
Стакан і вода зараз рухаються занадто швидко для утворення пари. Менш ніж через 10 мілісекунд після початку відліку, вони летять назустріч одна одній зі швидкістю в пару метрів в секунду. Без повітряної амортизації між ними - адже там тільки пара крапельок водяного пара - вода вдаряється в дно склянки як молот.
Три напівпорожніх склянки з водою. Час t = 10 мс.
Вода дійсно погано стискається, так що після зіткнення вона не виплеснеться назовні, а створить ударну хвилю. Сила удару буде такий великий, що стакан розірве.
Подібний гідравлічний удар (тієї ж природи, що і глухий стукіт, який можна почути в старому водогоні при закритті крана) часто використовують в трюку для вечірок: відтворений в «Руйнівники легенд», вивчений на уроках фізики і продемонстрований в незліченній кількості студентських гуртожитків, - коли б'ють за шийку пляшки, щоб підірвати її знизу.
Коли б'ють по пляшці, вона дуже швидко опускається. Рідина всередині не реагує на зростання тиску моментально, точно як в нашому випадку, і виникає розрив між водою і дном. Це дуже тонкий розрив в частку дюйма, але коли він схлопивается, удар вибиває денце пляшки.
У нашому випадку ці сили будуть досить великі, щоб розбити навіть найміцніші склянки.
Три напівпорожніх склянки з водою. Час t = 20 мс.
Денце відлітає вниз разом з водою і розбивається об стіл. Вода расплёсківается навколо, а на всі боки розлітаються шматочки скла. А що відірвалася верхня частина продовжує підніматися.
Три напівпорожніх склянки з водою. Час t = 500 мс. Панорама столу з оптимістом, думаючим: «Кльово!», І песимістом, думаючим: «О ні!»
За півсекунди від початку відліку спостерігачі, почувши різкий хлопок, здригаються. Їх голови мимоволі слідують за злітає склянкою.
Три напівпорожніх склянки з водою. Час t = 1 с, третій стакан розбився на дрібні шматочки.
Стакан набирає достатню швидкість, щоб розбитися об стелю на дрібні шматочки ...
Три напівпорожніх склянки з водою. Час t = 1,5 с, третій стакан тепер представляє собою купу уламків падаючих зверху.
... які тепер повертаються на стіл.
Три напівпорожніх склянки з водою. Час t = 10 с, оскільки третього склянки вп'ялися в обличчя оптиміста ( «Безкоштовне скло!») І песиміста ( «ай!»).
Висновок: якщо оптиміст каже, що склянка наполовину повна, а песиміст, що склянка наполовину порожній, - фізик ховається під стіл.
Утикається склом оптиміст переливає воду з одного напівпорожнього склянки в інший. Крісло песиміста пусте.
