сопротивление

В 1934 году Жан Лере доказал, что у уравнений Навье–Стокса всегда есть решения «в обобщённом смысле». Остаётся ли решение гладким или может сорваться в сингулярность, он не узнал, и за девяносто лет не узнал никто. В 2000 году Институт Клэя включил вопрос в семь проблем тысячелетия.

Пузырёк водорода на платиновом электроде ведёт себя как пловец, который пытается всплыть, но каждый раз, когда он почти отрывается, снизу его хватают за ноги. В лаборатории такое поведение сняли высокоскоростной камерой: миллиметровый пузырь висит у поверхности, хотя сила Архимеда тянет его вверх в тысячи раз сильнее, чем может удержать поверхностное натяжение.

Толпа у входа в узкий коридор ведёт себя не так, как в просторном зале: одних прижимает к стенам, других выталкивает вперёд. Примерно то же происходит, когда вытянутая частица оказывается в жидкости, кишащей самодвижущимися гантелями. До сих пор было неясно, почему такая частица движется вдоль длинной оси быстрее, чем поперёк, и как плотность толпы влияет на её скорость.

Дождевая капля скользит по ветру и врезается в океан не отвесно, а под углом. В этот момент её энергия расщепляется на два русла: одно толкает воду вперёд по ходу полёта, другое вдавливает её вниз, в глубину. От того, какое русло окажется сильнее, зависит, что произойдёт на поверхности: тихое погружение, веер брызг в одну сторону или корона, рассыпающаяся во все стороны.

Капля дождя падает на стекло и расплывается в блинчик. Добавьте в воду немного полимера — она станет упругой, как кисель. Казалось бы, такой кисель должен растекаться иначе. Но эксперименты с растворами полиэтиленоксида и полиакриламида показали: максимальный радиус пятна не меняется даже при концентрации 1000 ppm (одна тысячная доля).

Два куска наждачной бумаги плотно прижаты друг к другу. Стоит начать их сдвигать, как они сначала цепляются шероховатостями, а потом резко проскальзывают. Примерно так же ведёт себя земной разлом во время землетрясения. Но есть важная деталь: насколько сильно нужно сдвинуть края, чтобы сцепление сорвалось? Это расстояние называют критическим проскальзыванием.

Капли воды вылетают из сопла одна за другой, словно велосипедисты на узкой дорожке. Те, что летят быстрее, догоняют медленных — и сливаются с ними в более крупные капли. Этот простой механизм называют баллистической агрегацией, и до сих пор его наблюдали лишь в космических масштабах: так пылинки слипаются в планеты.

Почва — не сплошная губка, а лабиринт из пор разного калибра. После дождя вода заполняет их не все сразу: сначала самые узкие, потом те, что пошире. Физики построили теорию этого процесса, взяв за основу простой образ — множество сообщающихся сосудов. Перетоки между порами подчиняются законам течения вязкой жидкости, а движущей силой служит разность химических потенциалов.

В привычной гейзенберговской картине спинам при низких температурах надлежит выстроиться в строгий узор. Но есть кристаллы — например, пирохлор, — где геометрия вершит свой суд.

Квантовая материя редко балует нас зрелищем самодвижения. Там, где классический мир полнится стаями скворцов, косяками рыб и суетливыми бактериями, квантовая термодинамика долго хранила покой.

Космические лучи не летят по прямой. Заряженные частицы, разогнанные до огромных скоростей, петляют в магнитном поле Галактики, словно пылинки в потоке ветра. Обычно считается, что они просто рассеиваются вдоль и поперёк силовых линий.

В основе варп-двигателя лежит идея Эйнштейна о том, что массивные тела искривляют пространство-время — ту самую сцену, на которой разворачиваются все космические события. Представьте себе пузырь такого искривлённого пространства-времени. Внутри него корабль парит без перегрузок — как пассажир в салоне самолёта, не чувствующий встречного ветра.

Горячая жидкость течёт легко: молекулы носятся, сталкиваются и быстро находят новое место. Но стоит её переохладить — и всё меняется. Движение почти замирает, а вязкость взлетает до небес. Главный вопрос не в том, что частицы ленятся, а в том, куда им вообще двигаться. Авторы работы соединили две известные идеи.

Капля густого шампуня падает в воду и застывает причудливым жгутом. Жидкость, которая одновременно течёт и пружинит, называют вязкоупругой. В ней крошечные частицы под действием ультразвука ведут себя совсем не так, как в воде. Вязкоупругость — свойство материала одновременно растекаться как мёд и возвращать форму как резина.

Сахар растворился в чае, а потом одним движением собрался обратно в ложку. В обычной кухне такого не увидеть — мешают вязкость и беспорядок. Но в мире сверхмедленных движений, где инерция исчезает, подобные фокусы становятся реальностью.

Внутри каждого нейрона есть длинный тонкий канал — аксон, по которому сигнал идёт от тела клетки к другим клеткам. Чтобы канал работал, по нему постоянно курсируют митохондрии — крошечные органеллы, которые вырабатывают энергию. Они движутся в обе стороны, как машины по узкой дороге.

Корабль, скользящий по воде, постоянно трётся о неё, как ладонь о шершавую поверхность. Это трение съедает топливо и замедляет ход. Один из способов уменьшить его — пустить под днище воздух: вода перестаёт прилипать к корпусу, и сопротивление падает. Но воздух ведёт себя капризно: иногда помогает, а иногда мешает.

Капля воды на столе обычно лежит неподвижно. Но стоит сделать стол чуть мягче с одного края и жёстче с другого — капля поползёт в сторону жёсткости. Это явление называют дуротаксисом: жидкость сама выбирает, куда ей течь, без насосов и электричества. Такой трюк возможен благодаря тому, что поверхность под каплей неодинакова.

Крошечная капля масла протискивается через водный канал, который уже её самой. В чистой воде она ползёт спокойно, как круглый шарик. Но добавьте в воду немного мыла — и капля начинает изгибаться, словно гусеница.

Физический вакуум — вовсе не абсолютная пустота: при наложении достаточно сильного поля он способен спонтанно порождать пары частиц. Это явление, известное как парадокс Дирака–Клейна, обычно описывается громоздким математическим аппаратом квантовой теории поля. Однако существует удивительно наглядная механическая аналогия, передающая суть процесса без единой формулы.

Когда кусок металла тянут, он меняет форму и одновременно становится прочнее. Секрет — в крошечных дефектах кристаллической решётки, которые называются дислокациями. Это как морщинки на ковре: если двигать морщинку, ковёр сдвигается легче, чем если тащить весь ковёр целиком. Но когда морщинок много, они начинают мешать друг другу и застревать.

Внутри Земли есть твёрдое железное ядро размером с Луну. Оно плавает в жидком металле и слегка покачивается — как косточка в персике, если потрясти плод. Такие покачивания называют слейтеровскими модами: ядро смещается то вдоль оси планеты, то поперёк. Движение тормозят сразу три силы. Вязкая жидкость обволакивает ядро, как патока ложку. Вращение Земли заставляет жидкость двигаться по спирали.

Внутри почек, печени и других органов жидкость течёт по каналам, которые сжимаются и разжимаются, как шланг под ногой. Стенки этих каналов не жёсткие: они пористые, упругие и пропитаны влагой. Учёные построили простую двумерную модель, чтобы разобраться, как такая мягкая пористая крышка меняет поток, который гонят вдоль канала волны сокращений.

Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) всё чаще обращает свой взор на экзопланеты — миры, вращающиеся вокруг далёких звёзд. Среди них встречаются раскалённые каменные шары, всегда обращённые к своему светилу одной стороной. На дневной стороне температура столь высока, что горные породы плавятся, образуя океаны жидкой лавы.

Плоский лист с системой прорезей, помещённый в поток воды или воздуха, демонстрирует поведение, напоминающее самонастраивающиеся жалюзи. Динамический напор раскрывает щели, и каждая полоска материала наклоняется, становясь миниатюрным крылом — элементом, создающим подъёмную силу за счёт разницы давлений на поверхностях.

Капля масла в воде, покрытая молекулами мыла, ведёт себя не так, как голая капля. Молекулы мыла — это маленькие палочки: один конец любит воду, другой — масло. В спокойной жидкости они стоят на поверхности, как частокол, и снижают поверхностное натяжение — ту силу, что стягивает каплю в шар.

Капля дождя, падая на землю, бьёт с определённой силой. Но что, если капля не круглая, а вытянутая, как сигара, или сплюснутая, как блин? Оказывается, форма капли решает всё: сила удара может меняться более чем в десять раз только из-за того, как капля выглядит в момент падения.

В большинстве магнитных материалов доменная стенка — граница между областями с разной намагниченностью — под действием тока движется в одну сторону, заданную направлением тока. Но в ферримагнетиках вблизи особой точки, где угловые моменты двух подрешёток компенсируют друг друга, поведение меняется.

Солнце запускает глобальный круговорот воды, и дождь возвращает влагу на землю. Но теперь каждая капля действует как микроскопический молот, ударяющий по поверхности. Плавающие частицы микропластика — в основном состоящие из углерода — от удара подпрыгивают, подобно зёрнам попкорна на раскалённой сковороде.

Крутящаяся на столе монетка — знакомое всем зрелище. Сначала она быстро вращается, потом кренится, и её стук становится всё чаще. В последние секунды она будто зависает: вращение замедляется, но монетка никак не хочет окончательно лечь. Этот финальный момент — настоящая загадка для физиков.

Внутри магнита есть участки, где все атомные магнитики смотрят в одну сторону. Между такими участками — узкая переходная зона, где направление намагниченности плавно поворачивается. Эту зону называют доменной стенкой. Раньше её считали невесомой: толкнул — тут же остановилась. Но новые эксперименты показали, что у стенки есть инерция.

Частица блуждает в среде, где расставлены препятствия. Иногда она толкает их перед собой, как снегоуборочная машина, и думали, что именно это толкание в конце концов останавливает движение. Но в трёхмерном пространстве этот механизм не срабатывает.

Стекло — материал с характером. Оно кажется хрупким, но внутри него могут жить мощные невидимые силы. В химически упрочнённом стекле поверхность сжата, как натянутая резинка, а глубина, наоборот, растянута. Когда в такое стекло врезается быстрый предмет, эта резинка рвётся сразу во многих местах. Учёные стреляли по стеклу снарядами и смотрели, как оно рассыпается.

Ястреб парит над полем, и его крылья выписывают сложный танец. Каждый взмах, каждый наклон — это не случайность, а комбинация простых движений, которые можно разложить на составляющие. Поведение птицы в воздухе кажется интуитивным, но за ним стоит строгая механика.

Нагретая снизу кастрюля с водой — простой пример турбулентности. Горячая жидкость поднимается, холодная опускается, и поток сам собой разбивается на вращающиеся ячейки, похожие на горизонтальные рулоны. В новой работе физики взяли широкую прямоугольную ёмкость (в десять раз длиннее своей высоты) и проследили, сколько таких рулонов возникает.

Когда две плиты земной коры трутся друг о друга, между ними оказывается слой перемолотой породы — как песок между ладонями. Этот слой, который геологи называют разломной глиной, ведёт себя не как твёрдый камень, а как густая паста: он может уплотняться, расширяться и скользить.

В банке с маслянистой жидкостью плавают миллионы крошечных магнитных крупинок — каждая размером с бактерию. Включили магнит — и крупинки, как послушные солдатики, выстраиваются в длинные нити. Но почему они образуют именно нити, а не комки? Оказывается, дело не только в магнетизме. Каждая частица, двигаясь в жидкости, тянет за собой поток — как весло в воде оставляет за собой завихрения.

Капля падает в стакан, и от поверхности отрывается крошечная струйка — тонкий фонтанчик, который на миг взлетает вверх. Примерно так же работает пузырёк, прилипший к стенке трубки, если трубку резко дёрнуть вниз. Вода вокруг пузырька устремляется внутрь, и из его верхушки выстреливает струя. Скорость этой струи зависит от формы пузырька — насколько он выгнут, как купол зонтика.

Внутри каждой мышцы работает молекулярная команда гребцов — это белки миозина, которые циклически захватывают нити актина, совершают силовой гребок и отпускают их. Топливом для каждого гребка служит молекула АТФ (аденозинтрифосфат) — универсальный источник энергии в клетке. Когда множество таких гребцов действуют слаженно, мышца сокращается, и тело приходит в движение.

Капля воды бежит по листу таро, как по натёртому полу. Она не просто скользит — она накапливает электричество. Тридцать лет назад учёные объяснили, почему листья лотоса не намокают: их поверхность покрыта микроскопическими бугорками, между которыми застревает воздух. Но теперь выяснилось, что у воды на листьях есть ещё одна, скрытая сила.