Чому крапля камінь точить?

Звичайна крапля таїть у собі безліч цікавих проблем. Ви, ймовірно, багато разів звертали увагу на поглиблення, які видовбує в асфальті, бетоні, граніті та інших твердих матеріалах вода, що падає з дахів під час дощу. Якщо не звертали — придивіться, у будь-якому місті таких місць можна знайти скільки завгодно.

Здатність крапель води руйнувати тверді перешкоди була помічена дуже давно і відображена в приказці "крапля камінь точить". На перший погляд, у цьому явищі немає нічого, що заслуговує на особливу увагу: рухома вода переносить енергію і імпульс, і тому не дивно, що вона створює руйнівну дію на перешкоду. Однак більш уважний розгляд виявляє не зовсім зрозумілий бік процесу руйнування.

Розглянемо випадок, коли краплі падають на перешкоду з деякою постійною висоти та швидкості всіх крапель у момент удару однакові. Поступово будемо збільшувати частоту падіння крапель. Ясно, що чим частіше краплі падають на перешкоду, тим швидше вони цю перешкоду руйнують, оскільки зростають енергія та імпульс, що передаються на перешкоді в одиницю часу. Ще більше збільшимо енергію та імпульс, що переносяться водою, — відкриємо кран крапельниці настільки, що окремі краплі зіллються в безперервний струмінь.

З енергетичних та імпульсних міркувань природно очікувати, що безперервний струмінь води повинен руйнувати тверду перешкоду швидше, ніж послідовність крапель.

Дослід показує протилежне. Насправді безперервний струмінь руйнує перешкоду набагато повільніше, ніж послідовність крапель. При переході від окремих крапель до безперервного струменя швидкість руйнування може впасти в сотні та тисячі разів. Це здається неймовірним і незрозумілим, але це так.

У чому тут річ? Чому окремі краплі, що переносять меншу енергію та імпульс, руйнують перешкоду швидше, ніж безперервний струмінь?

Розгадка дуже проста, і, ймовірно, багато хто відразу ж здогадався, в чому вона полягає. При ударі краплі про перешкоду відбувається раптовий контакт поверхні краплі з поверхнею перешкоди. При виникненні такого контакту розвиваються тиски у багато разів більші, ніж у разі падіння безперервного струменя.

Це називається гідравлічним ударом, і саме гідравлічний удар призводить до того, що послідовність окремих крапель має більшу руйнівну дію, ніж безперервний струмінь. Така якісна відповідь на поставлені раніше питання.

Давайте тепер перейдемо до детальнішого розгляду гідравлічного удару. Якщо про перешкоду ударяється крапля, що має швидкість 5 м/с, то при цьому розвивається тиск, що в 300 разів перевершує тиск безперервного струменя тієї ж швидкості. А при збільшенні тиску у 300 разів швидкість руйнування може зрости більш ніж у 300 разів. Це з тим, що руйнація матеріалу починається з деякого порогового тиску.

Якщо тиск менше порогового, відбувається просто пружна деформація, але матеріал не руйнується. Тому, якщо тиск безперервного струменя знаходиться в області пружних деформацій, а тиск, що розвивається при ударі крапель (в сотні разів більше), знаходиться за порогом руйнування, швидкість руйнування зростає не в сотні, а в тисячі разів. Саме тому краплі руйнують те, чого безперервний струмінь зруйнувати не може.

Явище гідравлічного удару широко застосовується у техніці, оскільки дозволяє порівняно простими способами отримувати високий тиск. Це явище, наприклад, використовується в дуже дотепному пристрої для накачування води на велику висоту. Пристрій називається гідротараном, і особливість його полягає в тому, що для підняття води воно не споживає енергії ззовні. Енергія великої маси води, що тече з малої висоти, у гідротарані передається малій частині тієї ж води, і цієї енергії вистачає для того, щоб підняти невелику кількість води на велику висоту.