Французские физики запустили игрушечный кораблик плавать «вверх ногами». Кажется, в школе нас такому не учили — но это работает!

Французские физики записали видео, в котором по поверхности жидкости плавают два маленьких пластиковых кораблика. С первым вроде ничего необычного: снизу — вода, сверху — воздух, кораблик спокойно плывет по поверхности. Но оказывается, что под этой жидкостью вовсе не твердое дно, а еще одна поверхность — такая же, как и первая, но перевернутая вверх ногами: у нее воздух снизу, а вода — сверху. И по ней так же спокойно плывет точно такой же кораблик: на него не натекает жидкость, а сам он не падает вниз. Возможно, это не самый важный для человечества научный эксперимент, но это и не случайность или спецэффект — физикам действительно удалось создать устойчивую систему, где кораблики теперь могут плавать «вверх ногами», а статью с описанием эксперимента опубликовал известный журнал Nature.

При просмотре видео сразу возникает несколько вопросов. Во-первых, что это за летающая жидкость? Во-вторых, почему корабль на нижней поверхности жидкости просто не вываливается из нее и не падает вниз? В-третьих, сложно ли вообще такое сделать, и с любыми ли жидкостями и кораблями это возможно? Разберемся по порядку со всеми.

Во-первых, неужели действительно можно заставить слой воды левитировать, так чтобы у него было две поверхности: одна обычная — сверху, а вторая, снизу — перевернутая вверх ногами?

На самом деле можно. Правда, сразу надо оговориться, что для удобства в эксперименте ученые использовали не воду, а более вязкие глицерин или силиконовое масло. Под налитую в стакан жидкость ученые просто вдували шприцом воздух. Основная хитрость — в том, как после этого не дать жидкости стечь обратно, а этой воздушной подушке — всплыть наверх.

Вообще говоря, поверхностное натяжение способно удержать довольно много жидкости — на листьях растений, например, могут висеть вверх ногами капли росы довольно большого размера. Но с плоскими поверхностями все чуть сложнее. Представьте себе, что вам удалось налить некую более плотную жидкость (мед) на менее плотную (воду). Когда вспоминаешь, что при этом обычно происходит, понимаешь, что под действием гравитации в результате неустойчивости плоская поверхность всегда распадается, образуются капли и верхняя жидкость начинает стекать вниз. Здесь же этого почему-то не происходит. Как этого удалось достичь?

Чтобы жидкость оставалась висеть в воздухе, надо прежде всего каким-то образом подавить развитие этой неустойчивости. Тогда капли не смогут сформироваться, а значит и жидкость не сможет стечь вниз и окажется «подвешенной» сверху. Фактически, речь идет о том, чтобы как-то скомпенсировать действие гравитации. Французские ученые выбрали для этого способ, который был придуман еще в 70-х годах прошлого века: если потрясти всю систему вверх-вниз с нужной частотой и амплитудой, то воздушная подушка под жидкостью превращается в своего рода пружину, которая не дает поверхности жидкости распасться на части. Таким образом ученым удалось подвесить в воздухе слой жидкости толщиной до 20 сантиметров — таким же образом можно заставить тонуть в жидкости даже пузырьки воздуха.

Второй вопрос — почему кораблик держится на нижней поверхности и не падает из жидкости вниз. Для это вспомним сначала, почему корабль может плавать по обычной водной поверхности (у которой вода снизу, а воздух — сверху). На любой объект, погруженный в воду (или масло, как на видео), действуют две силы: сила тяжести — вниз, и сила Архимеда — вверх. Если больше сила тяжести, то предмет утонет. А если больше сила Архимеда, то он будет плавать на поверхности — чем легче предмет, тем меньше он будет погружен в воду.

На самом деле и на нижней поверхности пленки ситуация практически ничем не отличается: действуют те же силы в тех же направлениях. Сила Архимеда — вверх, сила тяжести — вниз. Если эту поверхность не трясти, кораблик будет в равновесии, но неустойчивом. Это как шарик на вершине холма: сам по себе он лежит хорошо, но от даже от самого небольшого касания он скатится вниз.

Но и здесь на помощь приходят вертикальные колебания жидкости. Эффект анти-гравитации позволяет сделать равновесие и на нижней поверхности устойчивым. В нашей аналогии — это как будто вырыть под шариком на холме небольшую ямку, выкатиться из которой шарику будет намного сложнее.

Ну и третий вопрос, вытекающий из первых двух: можно ли подобрать такие параметры, чтобы и пленка жидкости висела в воздухе и кораблики по ней свободно плавали с обеих сторон? Оказалось, можно — нужно только правильно подобрать массу кораблика (в эксперименте было около пяти грамм), а максимальная скорость жидкости во время вертикальных колебаний должна быть не слишком большая (чтобы кораблик не упал вниз) и не слишком маленькая (чтобы жидкость продолжала левитировать) — около 0,5 метров в секунду в самый раз.

Если все эти параметры подобрать правильно, то ваш эксперимент может завершиться удачно. Как видно на ролике, ничто не мешает одновременно запускать кораблики сразу и по верхней, и по нижней поверхности. Да и количество летающих слоев жидкости при таком подходе ограничено только высотой стакана, в котором вы проводите эксперимент.