Трагическая история лайнера «Титаник», затонувшего от столкновения с айсбергом в своем первом пассажирском рейсе, столь мощно и глубоко впечаталась в память людей, что почти забытыми оказались необычные судьбы двух других кораблей этого же класса. Гигантские лайнеры-сестры «Олимпик», «Титаник» и «Британник» были построены один за другим в 1911, 1912 и 1914 годах, но долгая служба выпала на долю лишь самого первого корабля. Причем и в биографии «Олимпика» оказалось немало опасных столкновений. Как, например, в годы Первой мировой войны, когда лайнер протаранил безуспешно атаковавшую его германскую субмарину, став первым и единственным за ту войну пассажирским судном, потопившим военный корабль.

Но столкновение, наиболее примечательное с точки зрения физики, произошло с «Олимпиком» уже в первые месяцы плаваний. В сентябре 1911 года лайнер шел вдоль береговой линии на весьма высокой скорости, когда его стал нагонять небольшой британский крейсер Hawke. Некоторое время корабли двигались параллельным курсом на расстоянии около 100 метров, но затем произошла катастрофа. Более легкий крейсер, водоизмещение которого было примерно в 6 раз меньше, чем у «Олимпика», вдруг начал резко менять курс и, несмотря на все усилия капитана, устремился к лайнеру. В результате сильного удара у крейсера оказалась разрушена вся носовая часть, а «Олимпик» получил две здоровенных пробоины в борту выше и ниже ватерлинии. К счастью, все обошлось без человеческих жертв, оба судна остались на плаву и сумели самостоятельно вернуться в доки для ремонта.

Последовавшее за этим судебное разбирательство полностью освободило капитана крейсера Hawke от ответственности за катастрофу, ибо техническая экспертиза пришла к выводу, что виною всему – недостаточно понимаемая на флоте физика движения больших кораблей. Всякое судно при движении увлекает за собой часть окружающей воды, а самый по тем временам большой в мире корабль «Олимпик» стал делать это в небывало крупных масштабах. Поэтому когда неподалеку, на параллельном лайнеру курсе оказался крейсер, движение воды между судами приобрело принципиально важное значение. В промежутке между кораблями из-за процесса увлечения скорость воды возрастает, а значит, в соответствии с гидродинамическим принципом Бернулли, давление понижается. Снижение давления, по мнению экспертов, вызвало взаимное притяжение кораблей и привело в итоге к столкновению.

Юристов компании White Star Line, владельца «Олимпика», это мудреное объяснение ничуть, надо сказать, не убедило. Они неоднократно подавали апелляции на пересмотр судебного решения, однако правосудие осталось непреклонным и не пожелало отходить от той трактовки произошедшего, что была выдвинута учеными экспертами.

*

Сомнения несведущих в науке людей, надо отметить, вполне объяснимы, поскольку открытая еще в первой половине XVIII века фундаментальная закономерность в поведении жидкостей и газов по сию пору способна озадачить даже физиков своей парадоксальностью. При самом поверхностном анализе суть явления, впервые описанного Даниилом Бернулли, достаточно очевидна и выражает закон сохранения энергии – коль скоро суммарная энергия потока жидкости постоянна, а величина ее складывается из давления и скорости, то возрастание скорости потока сопровождается понижением давления. Справедливо, естественно, и обратное: меньше скорость – больше давление.

Но обманчивая простота уравнения с нехитрой математикой тут же оборачивается головоломной загадкой, если попытаться объяснить «на пальцах» физику процессов, происходящих с жидкостью при течении через трубу переменного диаметра. Ведь с точки зрения обычного здравого смысла вполне очевидно, что если сечение трубы уменьшается, то текущей в ней воде приходится поневоле повысить скорость, а одновременно должно становиться труднее «протискиваться» через узкий проход, а значит самым естественным описанием этого состояния должно быть «повышение давления».

В таком ключе стал бы рассуждать любой здравомыслящий человек, не зная результатов экспериментов. Вот, в частности, что писал в одной из своих работ Иоган Бернулли, отец Даниила и видный ученый своего времени, также занимавшийся проблемами физики жидкостей: «Большая скорость в жидкости увеличивает натиск, с которым она действует на стенку канала, и, чем быстрее течет жидкость, тем больше она стремится расширить свой проход»…

Увы, гидродинамические опыты Даниила Бернулли демонстрировали прямо противоположное – большая скорость жидкости не увеличивает, а уменьшает «натиск на стенку канала». А вот уменьшение скорости в связи с расширением канала, как ни странно, приводит к возрастанию «натиска» жидкости. Именно по этой причине Леонард Эйлер, самый выдающийся математик XVIII века, работавший в те годы вместе с Даниилом Бернулли в Санкт-Петербурге, назвал его результат «Великим парадоксом». К концу XX века, надо отметить, разнообразных нестыковок и противоречий в физике накопилось такое количество, что сегодня давно известный принцип Бернулли и как парадокс-то уже почти никем не воспринимается. В учебниках он подается просто как базовый факт гидродинамики, но при этом по сию пору никому так и не удалось сколь-нибудь внятно объяснить механизм этого явления на молекулярном уровне.

**

Кроме того, для уравнения Бернулли, играющего в физике жидкостей и газов очень важную роль, не разрешена и еще одна серьезнейшая проблема принципиального характера. Формула взаимосвязи между скоростью и давлением была составлена Даниилом Бернулли для условий некой идеальной жидкости: несжимаемой, невязкой (то есть не имеющей трения) и пребывающей в состоянии спокойного безвихревого движения.

Но в природе, как известно, для жидкостей и газов характерны совсем иные свойства. Важную роль в поведении жидкостей играет вязкость, для воздуха и других газов в естественных условиях характерна почти бесконечная возможность сжатия, потокам жидкостей и газов практически всегда свойственны турбулентность и образование вихрей. Доказать теоретически справедливость формулы Бернулли для вязких жидкостей или турбулентного движения потока по сию пору никому так и не удалось. Тем не менее, принцип Бернулли без каких-либо изменений и оговорок повсеместно применяется для объяснения огромного количества явлений, наблюдаемых в реальных жидкостях и газах с ощутимыми эффектами трения и вихреобразования.

Вот всего лишь несколько из любопытных явлений, объясняемых принципом Бернулли. Если направить струю жидкости или воздуха из шланга вертикально вверх, а сверху поместить на струю шарик от пинг-понга, то он станет эффектно парить в струе, даже не стремясь покинуть столь шаткое на первый взгляд положение. Более того, это динамическое равновесие оказывается весьма устойчивым, так что небольшие смещения шарика в сторону вновь возвращают его в центральную часть струи. Объясняется это тем, что в самом центре струи давление наименьшее, а сила напора уравновешивает гравитацию.

Другой не менее эффектный опыт проводится с двумя массивными шарами, подвешенными на некотором расстоянии друг от друга. Если в разделяющий их промежуток направить струю воздуха из шланга, то вызванное этим снижение давления приводит к взаимному притягиванию шаров. С помощью именно этого эксперимента наглядно демонстрируется, в частности, причина столкновения «Олимпика» с шедшим параллельно крейсером. Широко известна и более простая разновидность того же самого по сути опыта, когда берут два листа бумаги и в вертикальном положении располагают их параллельно на небольшом расстоянии. Если теперь подуть в промежуток между листами, то они не разойдутся в сторону, как можно было бы предположить, а напротив, словно склеятся друг с другом.

***

Помимо множества экспериментов с парадоксальным результатом, для принципа Бернулли характерны также и неочевидные на первый взгляд теоретические следствия. Например, из этого принципа следует гидродинамический эффект предельной скорости. Суть его в том, что скорость любого тела, движущегося в сплошной жидкой среде, ограничена и не может превысить некоторую конечную величину. Это связано с тем, что согласно уравнению Бернулли увеличение скорости сопровождается непрерывным уменьшением давления. Значит, при некоторой скорости давление становится нулевым. Скорость, соответствующая такому давлению, оказывается для жидкости предельной, потому что при дальнейшем росте нарушается главное свойство жидкости – ее сплошность, то есть непрерывность среды. Иначе говоря, сплошная жидкость перестает существовать, распадаясь на капли. Здесь сама собой напрашивается аналогия с предельной скоростью света в теории относительности, однако сейчас интерес представляют исключительно гидродинамические феномены.

Несмотря на множество впечатляющих экспериментов, разными способами демонстрирующих парадоксальную механику принципа Бернулли, здесь все равно остаются весьма загадочные вещи. Вот, скажем, очень простой опыт, представляющий собой небольшую модификацию уже упомянутого опыта с двумя листами бумаги. На этот раз нужен всего один лист, который размещают на некоторой высоте над плоской поверхностью стола. Если подуть в промежуток между листом и столом, то бумагу, естественно, прижмет к поверхности стола. Если же подуть точно так же, но теперь не под, а над листом, то всякий человек, знакомый с принципом Бернулли, уверенно предскажет такой результат: скорость потока над листом больше, чем у воздуха под листом, значит, сверху давление меньше и лист должен приподняться.

Именно такой эксперимент, по сути, и должен демонстрировать образование подъемной силы крыла. Но вся загвоздка в том, что ничего подобного на самом деле не происходит… Скорость воздуха сверху действительно больше, однако даже точнейший прибор диффеоманометр, показывающий разность давлений в двух средах, засвидетельствует – в данном случае никакого различия между давлением над и под листом не наблюдается. И лист бумаги, соответственно, никаких движений не совершает.

Почему это так, никто толком объяснить не может. Но зато столь озадачивающий эксперимент предельно наглядно демонстрирует, почему в современных объяснениях подъемной силы крыла стараются избегать отсылов к принципу Бернулли.