В классе нетрудно поставить опыты по оптике, электростатике, магнетизму. А вот как быть, к примеру, со сверхзвуком?

Процессы в реактивных двигателях самолетов показать в школе, казалось бы, просто невозможно, поскольку скорость звука в воздухе достаточно велика — 340 м/с и для их получения нужны сверхзвуковые аэродинамические трубы огромной мощности. Обычно они кратковременно работают от запаса сжатого воздуха из баллона.

Стремясь уменьшить размеры и мощность аэродинамической трубы, изобретатели предлагали применять в них вместо воздуха иные газы, в которых скорость распространения звука была бы меньше. Однако успеха они не добились. Размеры и мощность сократились ненамного, зато появились другие трудности, газы оказывались дороги, ядовиты, неудобны в работе. И все же решение здесь есть.

В 70-е годы прошлого века ученые подметили, что смесь воды и небольшого количества (1–5 %) водяного пара течет по трубам медленнее, чем просто вода, хотя теоретически ее скорость может достигать скорости звука. Для воды скорость звука — 1440 м/с, для пара — 300 м/с. Оказалось, скорость звука в пароводяных смесях удивительно низка и может доходить до 6–8 м/с, отчего порою и «не хочет» такая смесь течь по трубам.

С пароводяными смесями многие из нас встречались, даже того не подозревая. Бывает, повернешь водопроводный кран — и раздается грохот. Это вскипает вода, проходя через кран.

Откуда в кране может взяться столько тепла, чтобы вода вдруг вскипела? Вспомним, что температура кипения воды зависит от давления. Она кипит при 100 °C лишь при нормальном атмосферном давлении. Если же давление снизить, то снижается и температура кипения.

Так, в горах на высоте 3000 м вода кипит при 90 °C, а на высоте 16 тыс. м вода закипает при 18 °C.

При открывании крана вода начинает течь через узкий зазор и скорость ее в этом месте по закону Бернулли возрастает, а давление становится столь низким, что вода вскипает и в ней образуется множество пузырьков пара. Далее, пройдя узкое место, вода свое движение замедляет, давление в ней повышается, пузырьки пара схлопываются, создавая при соударении тот самый шум, что мы слышим.

При повороте крана образуется узкая щель. В ней вода течет с большой скоростью, давление понижается, и она закипает. Образуются пузырьки пара. В широком месте трубопровода пузырьки схлопываются.

Если воду пропустить через расширяющееся сопло, она может превратиться в пароводяную смесь, а скорость ее превысит скорость звука, допустимую в этой смеси. На срезе сопла возникнет скачок уплотнения — тонкий пароводяной слой с очень высоким давлением.

Подобные процессы подробно исследованы ведущими специалистами Автономного некоммерческого общества «Аспект-Конверсион» В.А. Коссом и его коллегами, и это позволяет продемонстрировать в школьных условиях обтекание тела сверхзвуковым потоком.

Абсолютная величина его скорости для природы процесса безразлична и на виде наблюдаемой картины не скажется. Потому и не стоит создавать поток воздуха с самолетными скоростями более 330 м/с, а можно ограничиться скоростями 6 — 10 м/с.

Вместо воздуха мы возьмем пароводяную смесь, содержащую по массе около 1–5 % водяного пара, для которой такие скорости — это уже скорость звука. Чтобы разогнать ее до такой скорости, нам потребуется в тысячи раз меньшая энергия, чем для разгона такого же количества воздуха.

На последнем рисунке изображена схема школьной установки для демонстрации картин сверхзвукового обтекания. Установка работает от водяного насоса, дающего давление 2,5–3 атм., а в городах для ее работы достаточно давления водопровода. Изучаемый предмет располагается в сверхзвуковом участке — расширяющейся части сопла. Но поскольку процесс необходимо наблюдать, сопло в этом месте нужно сделать прозрачным и плоским. (Такие сопла впервые применил великий немецкий аэрогидромеханик Людвиг Прандтль (1875–1953). Возникающие при обтекании ударные волны можно увидеть в теневой проекции, освещая сопло лампочкой от карманного фонаря в абажуре из черной бумаги.

Запускается установка следующим образом. Сначала получим на экране или белой стене теневую проекцию прозрачного сопла. После этого откройте кран и плавно увеличьте подачу воды. Постепенно вы увидите, что в сопле образовался пар, и в определенный момент в его расширяющейся части появится четкая тень скачка уплотнения. После этого можно при помощи куска проволоки ввести в сопло пробное тело и увидеть появление на нем ударных волн.

Установка для демонстрации спектров сверхзвукового обтекания:

1 — сужающийся канал; 2 — плоское сопло Лаваля; 3 — изучаемое тело; 4 — точечный источник света.

А. ИЛЬИН