Стакан наполовину пуст

Что будет, если стакан воды внезапно станет наполовину пуст?

— Витторио Иаковелла

Пессимисты, возможно, более правы, чем оптимисты. Когда люди говорят «стакан наполовину пуст», они обычно имеют в виду, что стакан содержит равные доли воды и воздуха:

Обычно оптимисты видят стакан наполовину полным, когда пессимисты видят его наполовину пустым. Это породило кучу шуток, например: инженер видит стакан размером в два раза больше, чем нужно; сюрреалист видит жирафа, поедающего галстук и т. д.

Но что, если пустая половина будет действительно пустой — вакуумом. (Хотя даже вакуум не пуст по-настоящему, но это вопрос к квантовой физике.)

Вакуум определённо не продержится долго. Но что именно будет происходить, зависит от ответа на вопрос, которым обычно никто не задается: «Какая половина пуста?»

Представим три разных полупустых стакана и проследим микросекунда за микросекундой, что будет с ними происходить.

Посередине традиционный стакан с воздухом и водой. Справа стакан подобный обычному, только вместо воздуха — вакуум. Стакан слева наполовину полон водой и наполовину пуст, но пуста нижняя часть.

Ну, представим вакуум в начале отсчёта, t=0.

За первые несколько наносекунд ничего не произойдёт. За это время даже молекулы почти не сдвинутся.

Молекулы воздуха колеблются на скорости в пару сотен метров в секунду. Тем не менее, некоторые из них двигаются быстрее, чем другие. Быстрейшие двигаются со скоростью около 1000 метров в секунду. Они первыми проникнут в вакуум в стакане справа.

Вакуум в стакане слева окружён барьерами, так что молекулы воздуха не смогут быстро пробраться внутрь. Вода в жидком состоянии не стремится занять доступный объём, как это делает воздух. Тем не менее из-за вакуума в стакане вода начинает закипать, и водяной пар медленно начинает проникать в пустое пространство.

Пока поверхность воды в обоих стаканах начинает закипать, в стакане справа воздух прорывается внутрь. Стакан слева продолжает заполняться небольшими капельками воды.

Через пару микросекунд в стакане справа воздух, прорывающийся внутрь, полностью заполнит вакуум и создаст в жидкости ударную волну. Стенки стакана начнут слегка вибрировать, но они достаточно прочные и не разобьются, выдержав вибрации. Ударная волна отразится от воды и пойдёт обратно вверх, внося свой вклад в возникшие там потоки турбулентности.

Действие ударной волны от вакуумного коллапса будет продолжаться около миллисекунды, этого достаточно, чтобы она распространилась на другие два стакана слева. Стакан и вода слегка прогибаются по мере того, как волна проходит сквозь них. Ещё через пару миллисекунд волна достигнет человеческого уха, и мы услышим громкий хлопок.

В это же время стакан слева начинает заметно приподниматься в воздух.

Атмосферное давление давит и на стакан и на воду одинаково. Это та сила, которую мы считаем силой всасывания. Вакуум справа не держится долго, так что эффекта всасывания недостаточно, чтобы поднять стакан, но поскольку воздух не может проникнуть в вакуум в левом стакане, вода и стакан начинают наползать навстречу друг к другу.

Кипящая вода заполняет вакуум очень небольшим количеством водяного пара. Вакуумного пространства становится всё меньше, увеличившийся в количестве водяной пар медленно усиливает давление на поверхности воды. В конце концов это остановит процесс кипения, точно также, как это сделает более высокое атмосферное давление.

Стакан и вода сейчас двигаются слишком быстро для образования пара. Менее чем через 10 миллисекунд после начала отсчёта, они летят навстречу друг друга со скоростью в пару метров в секунду. Без воздушной амортизации между ними — ведь там только пара капелек водяного пара — вода ударяется в дно стакана как молот.

Вода действительно плохо сжимается, так что после столкновения она не выплеснется наружу, а создаст ударную волну. Сила удара будет такой большой, что стакан разорвёт.

Подобный гидравлический удар (той же природы, что и глухой стук, который можно услышать в старом водопроводе при закрытии крана) часто используют в трюке для вечеринок: воспроизведённый в «Разрушителях легенд», изученный на уроках физики и продемонстрированный в бесчисленном количестве студенческих общаг, — когда бьют по горлышку бутылки, чтобы взорвать её снизу.

Когда бьют по бутылке, она очень быстро опускается. Жидкость внутри не реагирует на возросшее давление моментально, точно как в нашем случае, и возникает разрыв между водой и дном. Это очень тонкий разрыв в долю дюйма, но когда он схлопывается, удар выбивает донышко бутылки.

В нашем случае эти силы будут достаточно велики, чтобы разбить даже самые прочные стаканы.

Донышко улетает вниз вместе с водой и разбивается об стол. Вода расплёскивается вокруг, а во все стороны разлетаются кусочки стекла. А оторвавшаяся верхняя часть продолжает подниматься.

Через полсекунды от начала отсчёта наблюдатели, услышав резкий хлопок, вздрагивают. Их головы непроизвольно следуют за взлетающим стаканом.

Стакан набирает достаточную скорость, чтобы разбиться о потолок на мелкие кусочки…

…которые теперь возвращаются на стол.

Вывод: если оптимист говорит, что стакан наполовину полон, а пессимист, что стакан наполовину пуст, — физик прячется под стол.