Почему он не тонет: эксперимент ученицы ФМШ объяснил поведение «плавающего» диска

Металлический диск с отверстием в центре, помещенный в сосуд с водой, тонет. Но если в центр диска направить вертикально струю воды, то его можно удержать на плаву. Исследованию и объяснению этого явления была посвящена работа Марии Буда. Научными руководителями выступили к. ф.-м. н., доцент кафедры физики ФФ НГУ и СУНЦ НГУ Юрий Леонидович Башкатов и выпускник СУНЦ НГУ, бывший участник Турниров юных физиков Никита Шаров.

– Исследования проходили довольно активно в течение всего учебного года: всё началось с наблюдения явления, затем шел этап знакомства с литературой, изучения теории. Итог работы – модель, основанная на теоретических и эмпирических выкладках, предсказывающая условия, при которых диск будет непотопляемым, – рассказывает физматшкольница.

В ходе работы была создана экспериментальная установка, позволяющая варьировать параметры падающей струи. Для проведения эксперимента были сделаны диски различных размеров из разных материалов. С их помощью было исследовано образование на диске такого явления как гидравлический прыжок (резкое повышение уровня воды при переходе жидкости от спокойного состояния к бурному) и его параметры. Также на основе расписанных сил с учетом влияния отверстия удалось создать теоретическое предсказание параметров диска, плавающего при заданных условиях эксперимента. При этом представленная модель хорошо сходится с экспериментальными результатами.

Как показало исследование, основной фактор, обеспечивающий плавание диска, – увеличение давления в жидкости под диском за счет добавочного избыточного давления столба жидкости. Такое избыточное давление получается в результате гидравлического прыжка. Действие этого давления на нижнюю поверхность диска позволяет компенсировать силу тяжести и динамическую силу от падающей сверху струи. Роль же отверстия заключается в уменьшении действующего расхода струи, что также было учтено в решении.

Работа заняла 1 место в подсекции «Турнир юных физиков» школьной секции МНСК. Мария Буда – постоянная участница ТЮФа. В 2021 году в составе сборной России она стала призером Международного Турнира юных физиков. В январе 2022 года – стала призером Сибирского турнира юных физиков в составе сборной СУНЦ НГУ.

– В этом году на турнире действительно немало интересных задач, однако именно задача про непотопляемый диск сразу привлекла меня. Вероятно, это объясняется тем, что в предыдущих турнирных сезонах я тоже решала задачи, связанные с гидродинамикой, и при выборе задачи в том числе опиралась на желание еще лучше разобраться в данной области, – говорит ученица ФМШ.

Через месяц Мария Буда оканчивает 11 класс и уже знает, что хотела бы связать свою жизнь с физикой.