Следовательно, из опыта в тазу можно сделать первый вывод: при возмущении слоев вода в силу текучести и инерции движения перемещается с образованием у свободной поверхности вращающихся вихрей. В стоячей воде они через какое-то время успокаиваются, а в текучей – стихают по мере удаления от очага возмущений. (Кстати, хорошо видны крупные закручивающиеся вихри, возникающие при сильном гребке веслами: тихим вечером, когда весельная лодка движется по спокойной глади воды, ее след за кормой остается отмеченным двумя рядами таких исчезающих вихрей.)
Здесь уместно вспомнить, что в механике различаются два типа движения жидкости: спокойное, так называемое ламинарное, как бы слоистое, при котором один слой жидкости скользит по другому, не смешиваясь с ним; и вихревое, или турбулентное, при котором частицы жидкости движутся беспорядочно, во всех направлениях, делают петли, возвращаются назад. При очень малой скорости жидкость в природе может двигаться параллельными слоями, то есть ламинарно. С возрастанием скорости, если нет других возмущающих моментов, ламинарное течение может перейти в турбулентное. Тогда, вследствие возрастания сил трения, слои жидкости начинают срываться, появляются пульсирующие вихри закручивания одного слоя о другой и вращение вокруг некоторых мгновенно возникающих осей.
Это рождение водяного вихря приводит к тому, что на границе с воздушной средой, где гидростатическое давление минимально или практически равно нулю, вода центробежной силой вихря слегка отжимается в стороны от мимолетно существующей оси вращения. При тихом течении образуются маленькие ямочки – «кнопочки» – диаметром от 1 до 2 сантиметров, при быстром течении – до нескольких десятков сантиметров. По мере удаления от места возникновения вихри распадаются.
Турбулентное, или вихревое, движение наблюдается во всех текучих водоемах, даже в очень медленных реках, где местами течение кажется ламинарным.
Поскольку с точки зрения гидравлики не имеет значения, движется ли тело в неподвижных слоях воды или вода обтекает неподвижное тело, появляется возможность в домашних условиях провести второй эксперимент. Воспользуемся той же наполненной ванной (или тазом). Опустив в воду ладонь лопаточкой, очень медленно сделаем горизонтальный гребок на такой же глубине, как и в предыдущем опыте. За рукой не возникнет заметных возмущений. Если сделать движение чуть быстрей, то обнаружится уже знакомая картина завихрений с вращающимися ямочками нд поверхности. Если гребок сделать сильно, то возникает интенсивная турбулентность. Отсюда напрашивается второй важный вывод: чем медленнее течение реки, тем меньше условий для возникновения турбулентностей, тем слабее перемешивание слоев жидкости, тем спокойнее может чувствовать себя плохо плавающий человек: водовороты здесь чрезвычайно слабы или совсем отсутствуют. Чем больше скорость течения, тем интенсивнее его турбулентность. Она возникает в реках от целого ряда причин: неровностей дна и берегов, поворотов русла, перепадов глубин, колебаний уровня воды, пульсации потока. Рассмотрим некоторые конкретные случаи.
Ниже того места, где берег подводным мысом вдается в русло реки, обязательно встречается участок стойкого вращательного движения воды, именуемый суводью, или уловом. Возникает суводь потому, что препятствие создает некоторый подпор воды с небольшой разницей между уровнями потока выше и ниже выступа. Отклоненные мысом струи огибают его и затем устремляются во впадину, образующуюся вследствие местного понижения уровня сразу за выступом. Так как турбулентность сопровождается возникновением вихрей, названных в народе вьюнами, то и в улове, являющемся типичным примером вихревого потока, происходит вращательное движение струй. Однако поступательный характер потока в целом сохраняется, и попавшие в улово плавающие предметы, совершив несколько вращений, уносятся течением дальше. Чем больше скорость потока, тем интенсивнее суводь. У правого берега вращение воды в суводи происходит по часовой стрелке, у левого – против (рис. 8).
Вдоль берега, ниже улова, а также за большими песчаными косами, вдающимися в русло, образуются участки с малыми скоростями течения.
Рис. 8. Схема образования суводи (в плане). Каменистый или трудно размываемый выступ берега отклоняет струю в сторону середины реки. При этом создается небольшая разница в прибрежных уровнях воды выше и ниже выступа. Струи обходят его и затем возвращаются к берегу, заполняя зону пониженного уровня. Ниже выступа в пределах суводи вода движется вдоль берега в обратном направлении, таким образом, в суводи происходит медленное вращательное движение воды.
Они называются тиховодами и отграничены от более быстрой части потока полосой пены или плавающего мусора: кусочков коры, мелких веток, обломков сучков. В зоне тиховода вдоль кромки берега можно отметить медленное движение плавающего на поверхности мусора в сторону, противоположную течению реки. Это связано с тем, что небольшая разница в уровнях, создающаяся по обе стороны от мыса, сохраняется еще на некотором протяжении и заполняется не только потоком, который сворачивает к берегу сразу за препятствием и образует улово, но и возвращающимися несколько ниже него струями, стремящимися нивелировать водную поверхность. Приближаясь против течения к месту интенсивного закручивания потока, плавающий мусор может быть снова вовлечен в струю у внешней границы тиховода и снова совершит круговую траекторию. В тиховодах иногда скапливается значительное количество мелкого плавника, плотно закрывающего поверхность воды на десятки метров.
На бурных реках попавшие в суводь плот или лодку может не только развернуть, но даже некоторое время покружить на месте, поскольку своими концами и плот, и лодка могут оказаться в разных потоках. С этой точки зрения для судоходства представляют определенную опасность любые участки водного пути, где есть потоки со значительными перепадами скоростей: пара сил, действующих на нос и корму судна в разных направлениях, способна отклонить его от курса и на некоторое время сделать неуправляемым. Однако человеку такие зоны ничем не грозят: он более подвижен и гибок, чем любое судно, и если бы, переплывая реку, попал в стремнину, то был бы только снесен течением вниз, но преодолел бы это расстояние, не испытав никаких затягиваний и кружений.
Теперь о собственно водоворотах, хотя суводь была типичным примером и частным случаем «прибрежного» водоворота. Когда на дне реки лежит огромный камень, или коряга, или затонувшее судно, вода, набегая на препятствие, создает поперечный вал, хорошо различимый на поверхности реки. За ним возникает некоторая зона пониженного уровня, в которую сверху и с боков устремляются потоки воды, закручиваясь водяными вихрями. Чем больше препятствие и быстрее скорость течения, тем мощнее водоворот. Однако, вследствие непрерывности потока воды, поступательное движение даже в самом центре водоворота сохраняется, и любой предмет, попавший сюда, уносится дальше по течению.
Значительно менее интенсивные водоворотные зоны, но большие по протяженности, отмечаются при соприкасании двух потоков, текущих с разной скоростью, – в народе такие места называются «майданами». Встречаются они при впадении быстрой реки в реку с более спокойным течением; в половодье – при слиянии медленного потока, стекающего по залитой паводком широкой пойме, с потоком, несущимся по коренному руслу; за хвостом стоящего на быстрине острова, когда два разделенных рукава вновь соединяются, имея в некоторых случаях разные скорости. Возникшие на границе двух таких потоков завихрения не увлекают вглубь плавающие предметы. Захваченные на мгновение вихрем, они могут проделать вращательную траекторию, быть развернуты двумя потоками так, что останутся в каком-нибудь из смежных, либо выходят из этой зоны, затормозив свое движение.
Наконец, о тех воронках, которые действительно затягивают. Впервые мы встречаемся с ними, выпуская воду из ванны или раковины, сливая в школьном кабинете растворы из сосудов с отверстием в дне или нижней части стенки. При этом наблюдается ограниченное небольшим пространством вращательное течение жидкости с уходящей к сливному отверстию конусовидной воздушной полостью.