Почему капля камень точит?

Обыкновенная капля таит в себе множество интереснейших проблем. Вы, вероятно, много раз обращали внимание на углубления, которые выдалбивает в асфальте, бетоне, граните и других твердых материалах вода, падающая с крыш во время дождя. Если не обращали — присмотритесь, в любом городе таких мест можно найти сколько угодно.

Способность капель воды разрушать твердые препятствия была замечена очень давно и отражена в поговорке капля камень точит

Способность капель воды разрушать твердые препятствия была замечена очень давно и отражена в поговорке "капля камень точит". На первый взгляд, в этом явлении нет ничего, заслуживающего особого внимания: движущаяся вода переносит энергию и импульс, и поэтому неудивительно, что она оказывает разрушающее воздействие на преграду. Однако более внимательное рассмотрение обнаруживает не совсем понятную сторону процесса разрушения.

Рассмотрим случай, когда капли падают на преграду с некоторой постоянной высоты и скорости всех капель в момент удара одинаковы. Будем постепенно увеличивать частоту падения капель. Ясно, что чем чаще капли падают на препятствие, тем быстрее они это препятствие разрушают, поскольку возрастают энергия и импульс, передаваемые преграде в единицу времени. Еще больше увеличим энергию и импульс, переносимые водой,— откроем кран капельницы настолько, что отдельные капли сольются в непрерывную струю.

Из энергетических и импульсных соображений естественно ожидать, что непрерывная струя воды должна разрушать твердое препятствие быстрее, чем последовательность капель.

Опыт показывает прямо противоположное. В действительности непрерывная струя разрушает преграду гораздо медленнее, чем последовательность капель. При переходе от отдельных капель к непрерывной струе скорость разрушения может упасть в сотни и тысячи раз. Это кажется невероятным и необъяснимым, но, тем не менее, это так.

В чем тут дело? Почему отдельные капли, переносящие меньшую энергию и импульс, разрушают препятствие быстрее, чем непрерывная струя?

Разгадка очень проста, и, вероятно, многие сразу же догадались, в чем она заключается. При ударе капли о препятствие происходит внезапно возникающий контакт поверхности капли с поверхностью преграды. При возникновении такого контакта развиваются давления во много раз большие, чем в случае падения непрерывной струи.

Это явление называется гидравлическим ударом, и именно гидравлический удар приводит к тому, что последовательность отдельных капель обладает большим разрушающим действием, чем непрерывная струя. Таков качественный ответ на поставленные ранее вопросы.

Давайте теперь перейдем к более подробному рассмотрению гидравлического удара. Если о преграду ударяется капля, имеющая скорость 5 м/с, то при этом развивается давление, в 300 раз превосходящее давление непрерывной струи той же скорости. А при увеличении давления в 300 раз скорость разрушения может возрасти более чем в 300 раз. Это связано с тем, что разрушение материала начинается с некоторого порогового давления.

Если давление меньше порогового, то происходит просто упругая деформация, но материал не разрушается. Поэтому, если давление непрерывной струи находится в области упругих деформаций, а давление, развиваемое при ударе капель (оно в сотни раз больше), находится за порогом разрушения, скорость разрушения возрастает не в сотни, а в тысячи раз. Именно поэтому капли разрушают то, чего непрерывная струя разрушить не может.

Явление гидравлического удара широко применяется в технике, поскольку позволяет сравнительно простыми способами получать высокие давления. Это явление, например, используется в очень остроумном устройстве для накачивания воды на большую.высоту. Устройство называется гидротараном, и особенность его состоит в том, что для поднятия воды оно не потребляет энергии извне. Энергия большой массы воды, текущей с малой высоты, в гидротаране передается малой части той же воды, и этой энергии хватает для того, чтобы поднять небольшое количество воды на большую высоту.

Инструменты