Группа ученых из Питтсбургского университета провела интригующее исследование, посвященное изучению процесса опустошения сосудов с жидкостью. Результаты этой работы, опубликованные в журнале Physics of Fluids, раскрывают неожиданные аспекты, связанные с влиянием гибкости стенок и размера отверстия на скорость вытекания жидкости.
Исследователи сконструировали специальный акриловый контейнер объемом три литра, оснащенный датчиком воздушного давления. В этом контейнере были сделаны два отверстия: нижнее для выхода жидкости и верхнее, прикрытое эластичной мембраной, имитирующей эффект гибких стенок. Варьируя диаметр выходного отверстия, ученые моделировали различные степени жесткости сосуда.
Эксперименты показали, что при диаметре выходного отверстия в 6 мм процесс истечения жидкости прекращается независимо от жесткости сосуда и уровня воды внутри. Когда диаметр увеличивался до 10-12 мм, наблюдалось нерегулярное бульканье, которое становилось более стабильным по мере снижения уровня жидкости. Интересно, что при достижении диаметра отверстия 14 мм поток жидкости приобретал стабильность вне зависимости от размера мембраны или даже ее отсутствия.
Одним из ключевых открытий стало наблюдение, что увеличение размера мембраны приводило к ускорению истечения воды и повышению частоты бульканья. Это означает, что пластиковые бутылки с более мягкими стенками опустошаются быстрее, хотя и производят меньше булькающих звуков по сравнению с жесткими емкостями.
Физики также разработали теоретическую модель, основанную на аналогии между процессом истечения жидкости и колебаниями вертикального пружинного маятника. В этой модели вытекающая вода представлена как массивный груз, а гибкая мембрана играет роль растягивающейся пружины. Экспериментальные данные подтвердили правильность этой теоретической концепции.
