Где вы будете плыть быстрее — в воде или сиропе?

Исаак Ньютон и Христиан Гюйгенс обсуждали этот вопрос в 1600-е годы, но так и не дали на него исчерпывающий ответ. Три столетия спустя два химика из Университета Миннесоты, Брайан Геттельфингер и Эдвард Касслер проделали эксперимент для сравнения сиропа и воды. Может быть, не стоит удивляться, что его проведение заняло много времени. Касслер рассказал, что ему потребовалось получить 22 согласования, в том числе и разрешение на то, чтобы затем вылить большой объем сиропа в канализационную систему. Ему пришлось отказаться от предложенных 20-ти грузовиков с бесплатным кукурузным сиропом, поскольку руководство университета посчитало, что он будет опасен для канализационной системы Миннеаполиса. Вместо этого Касслер использовал пищевой загуститель, применяемый для производства мороженого, шампуней и заправок для салата. Около 300 кг этого вещества вылили в плавательный бассейн. «Сказать по правде, смесь эта походила на сопли», – заметил Касслер. И все же это были не сопли, а размазня примерно вдвое плотнее воды.

Брайан Геттельфингер, пловец, подававший надежды и претендент на участие в Олимпиаде, получил уникальную возможность опробовать плавание в новой для себя жидкости. Результаты были опубликованы в 2004 году в American Institute of Chemical Engineers Journal. На следующий год Геттельфингер и Касслер получили Шнобелевскую премию по химии за 2005 год. Шнобелевская премия – это юмористический вариант более известных наград, присуждаемых в Стокгольме, но благодаря широкому освещению в новостях об этой премии многим известно. Может быть, именно внимание СМИ к этой задаче о сиропе и объясняет ее повторное появление в списке садистских вопросов, задаваемых на собеседовании.

В описываемом здесь эксперименте вязкость сиропообразной жидкости была примерно в два раза больше, чем у обычной воды, а вот плотности обеих жидкостей были примерно одинаковыми. Это важно, потому что, как пловцы уже давно знают, в более плотной соленой воде люди плавают быстрее. Как и корабль, тело пловца в соленой воде располагается выше, из-за чего сопротивление его движению вперед снижается.

Геттельфингер и студенты из Миннесоты плавали на скорость и в воде, и в «сиропе» стандартными стилями: на спине, брассом, баттерфляй, вольным. Но ни разу скорость плавания в обеих жидкостях не различалась более чем на несколько процентных пунктов. Выявить какой-то общей закономерности, позволяющей отдать предпочтение сиропу или воде, не удалось.

Это означало, что Ньютон был неправ: он полагал, что вязкость сиропа замедлит движение пловцов. Гюйгенс верно предсказывал, что заметной разницы в скорости не будет. Статья Геттельфингера и Касслера подтвердила обоснованность взглядов Гюйгенса. Вспомните о том, как поднимается дым от сигареты: на расстоянии нескольких сантиметров от сигареты он видится в виде ровной вертикальной колонны, однако выше его форма становится более сложной, так как начинают возникать воронки и завихрения. Воронки являются результатом турбулентности. Турбулентность мешает реактивным самолетам, быстроходным катерам и всем телам, которые хотят быстрее пройти через поток. Поскольку человеческое тело не оптимизировано для плавания, то когда мы плаваем, мы создаем до смешного много турбулентности, с которой затем сражаемся, чтобы переместить себя в воде. Турбулентность создает гораздо большее сопротивление движению, чем вязкость. Более того, вязкость здесь вообще вряд ли что-то значит. Поскольку турбулентность возникает и в воде, и в сиропе, скорость плавания в этих жидкостях приблизительно одинакова.

Поток воды намного менее турбулентен для рыб и особенно для бактерий, которые в сиропе будут плыть медленнее.

Можно ли считать этот вопрос на собеседовании честным? Касслер говорил, что для ответа на вопрос о плавании в сиропе «не нужно, скорее всего, обладать хорошими познаниями в компьютерных науках», добавив, что «любой человек, имеющий базовые знания в физике, сможет на него ответить». Тот, кто серьезно изучает физику может увидеть, что это излишне оптимистическая точка зрения. В любом случае, большинство претендентов, кому этот вопрос задают на собеседованиях при приеме на работу, не знают физику достаточно глубоко. Поэтому хорошие ответы предусматривают использование простых интуитивных аналогий, объясняющих, почему решение необходимо получить при помощи эксперимента. Вот четыре аргумента.

1. Некоторые жидкости слишком густые, чтобы в них можно было бы плавать.

Попросите мастодонтов поплавать в битумных озерах. Представьте попытку поплавать в жидком цементе или зыбучих песках. Разумеется, в очень густых жидкостях, хотя сила отталкивания здесь и больше, вы будете плыть значительно медленнее, чем в воде, если вообще вам это удастся сделать.

2. Под понятием «сироп» можно понимать очень широкий диапазон жидкостей.

В вопросе не говорится о смоле или зыбучих песках, а только о сиропе. А сиропы бывают очень разными, к примеру, кленовый сироп, сироп от кашля, шоколадный сироп, кукурузный сироп с большим содержанием фруктозы и те жидкости с разными консистенциями, варьирующиеся от водянистого напитка до густого осадка, остающегося на дне бутылки. На заданный вопрос нельзя ответить, пока вы не узнаете, о каком именно сиропе идет речь, или пока вы не сможете доказать, что плавание будет медленным в любой жидкости, более густой, чем вода.

3. Предположим, имеется оптимальный уровень вязкости, при которой скорость плавания является максимальной. Есть ли причина верить, что такой оптимальной жидкостью для плавания окажется H₂O?

Может быть, вы с этим утверждением и согласились бы, будь вы очень проницательной рыбой. Эволюция постаралась, чтобы рыбы «соответствовали» той среде, а это вода, которая обтекает их изящные тела. Люди не очень похожи на рыб, и способ, каким мы плаваем, не очень напоминает то, как это делают рыбы. Никто из людей и наших ближайших предков не проводил много времени в бассейнах, а также в реках, озерах и океанах, чтобы сформировать такой набор генов, который был бы в значительной степени ориентирован на плавание. Конечно, мы иногда плаваем и даже порой летаем на параплане, но мы не созданы для этих занятий. Существо, заточенное под плавание австралийским кролем, слишком не похоже на человека. Эдвард Касслер по этому поводу сказал: «Идеальный пловец должен иметь тело змеи и руки гориллы».

Что уж тут удивляться, что можно отыскать людей, способных плавать быстрее в жидкости с другой вязкостью, чем у воды. Не будет удивительным и открытие, что скорость плавания является одинаковой в жидкостях с самыми разными вязкостями.

4. Плавание является хаотичным процессом.

Движение жидкости и газов – это пример хаоса, приводимый в учебниках. Слишком многое зависит от мельчайших деталей, чтобы заниматься предсказанием исхода. Вот почему для тестирования своих конструкций разработчикам самолетов нужны аэродинамические трубы. Не приспособленное хорошо к плаванию человеческое тело с его относительно неуклюжими движениями в воде еще больше осложняет ответ. Вот поэтому -то вопрос из тех, для которых необходимо провести эксперименты – с конкретным видом сиропа.

Речь, с которой Касслер выступил при вручении ему Шнобелевской премии, была краткой: «Причины этого сложны».

Разбор взят из книжки «Are You Smart Enough to Work at Google?».