Ацюковский В.А. - Популярная эфиродинамика
.pdf
39
Рис. 5.1. Движение амера, формы и виды движения эфира
Рис. 5.2. Диффузионные формы движения эфира
40
Рис. 5.3. Поступательные формы движения эфира
Рис. 5.4. Вращательные формы движения эфира
41
Благодаря пограничному слою газовая труба не рассыпается, а вращается почти как твердое тело. В пограничном слое благодаря высокому градиенту скоростей температура понижена, вязкость тоже понижена, и вихрь вращается в пограничном слое, как в подшипнике скольжения, отдавая внешней среде лишь минимум энергии (рис. 5.5).
Рис. 5.5. Цилиндрический газовый вихрь: поперечное сечение вихря (а); распределение плотности газа (б); эпюра касательных скоростей (в); зависимость угловой скорости вращения газа в вихре от радиуса (г)
42
Рис. 5.6. Сжатие газового вихря на входе в воздухозаборник (слева вверху) реактивного двигателя самолета (на стоянке)
Тот факт, что газовый вихрь имеет трубообразное строение, известно достаточно давно. Это было подтверждено на специальном стенде с помощью установленного на земле реактивного самолетного двигателя, при запуске которого перед ним образуется вихрь (рис. 5.6).
Такие вихри часто образуются на стоянках у обычных самолетов, у которых двигатели расположены достаточно низко. Тогда такой смерч подметает площадку перед самолетом и тащит в турбину все, что на ней оказывается – песок, комья земли, камни и забытые инструменты. Все это летит в турбину и ломает лопатки. Для выяснения всех обстоятельств и был построен
43
стенд, с помощью которого нашли радикальный способ борьбы с поломками. Оказалось, что перед запуском нужно подметать площадку и не забывать на ней инструменты.
Природные смерчи и циклоны им имеют торообразную форму. Но обычно мы видим только центральную часть, где воздух сильно сжат. Но воздух, поднявшись вверх, дальше растекается и вновь опускается вниз, снова устремляясь к этой центральной части. Но ту часть движения воздуха, где он движется вниз мы не видим, потому что он растекается по большой площади, поэтому опускается очень медленно. Однако на фотографиях циклонов торообразная фигура циклона все же видна.
Винтовое движение газа в вихревом столбе более устойчиво, чем не винтовое, так как градиент скорости в пограничном слое увеличивается – добавляется еще одно перемещение газа вдоль столба. Поэтому смерчи наиболее устойчивы тогда, когда в них сочетаются два движения – вращательное вокруг оси и поступательное вдоль оси вихря (рис. 5.7).
Рис. 5.7. Смерч: а – внешний вид смерча; б – структура смерча по
по данным наблюдений
44
Рис. 5.8. Образование циклона в районе Флориды (снимок из космоса)
В тороидальном же вихре происходит все то же самое, только эта труба газового вихря замкнута сама на себя, в результате чего получается винтовой вихревой тороид (рис. 5.8).
Винтовые вихревые тороиды могут иметь несколько форм. Одна из них – тонкое вихревое кольцо. Вторая форма – шарообразная, близкая к так называемому вихрю Хилла. В зависимости от ориентации кольцевого движения (движения вокруг главной оси тороида) по отношению к тороидальному движению вокруг кольцевой оси тороидального тела возможно правое или левое винтовое движение. Может быть и только одно тороидальное движение, без кольцевого, но такой вихрь менее устойчив.
Квинтовому тороиду могут присоединяться дополнительные
–присоединенные вихри. Примером такого многослойного вихря является так называемый вихрь Тейлора. Этот тип вихря был получен экспериментально в двадцатых годах текущего столетия Дж.Тейлором. Напоминает атом с его электронными оболочками, не правда ли (рис. 5.9).
45
Рис. 5.9. Вихрь Тэйлора
Благодаря наличию пограничного слоя, удерживающего вихрь от разрушения, возникает градиент скоростей, что приводит к падению температуры в пограничном слое, а поэтому всякий газовый вихрь охлаждает окружающую среду, постепенно забирая от нее тепло. Когда все температуры выровняются, температурный пограничный слой перестанет существовать, а кинетическая энергия вращения тела вихря исчерпается, после чего вихрь разрушится.
Когда вихрь отдает часть своей энергии, он увеличивает свой диаметр. Причин тому несколько: одна из них заключается в том, что внутреннее давление в центральной части вихря начинает подниматься, так как центробежные силы не так интенсивно теперь отбрасывают газ из внутренней области к стенкам.
Как образуются вихри? Для их образования достаточно просто хаотического соударения струй газа. Начиная с некоторого критического значения скоростей соударения, газ начинает закручиваться, и в пограничных областях струй образуются кольцевые вихри. Эти вихри самоуплотняются, поскольку газ, в отличие от жидкости, сжимаем, уменьшаются в размерах и самопроизвольно делятся. Аналогичное явление, только без сжатия вихрей, можно наблюдать в обычной воде, если в нее капнуть с небольшой высоты каплю чернил. Этот простой, красивый и эффектный эксперимент доступен каждому.
46
При проведении опыта не забудьте поставить около банки с водой настольную лампу, чтобы лучше наблюдать образование вихревых колец (рис. 5.10).
Рис. 5.10. Образование и деление тороидальных вихревых колец в жидкости при падении капли
Рис. 5.11. Вращение тела: вокруг цилиндра (а); вокруг центра при изменении радиуса вращения (б); структура нижней части смерча, в которой газ движется с изменением радиуса вращения (в)
47
Здесь следует сделать одно немаловажное замечание. При вихреобразовании формирующиеся вихри самопроизвольно уменьшают свой размер. Это хорошо видно на фотографиях искусственно созданных вихрей и смерчей. По мере раскрутки вихрь уменьшает свой радиус. Выяснено, что при этом внешнее давление атмосферы сдавливает вихрь и часть потенциальной энергии атмосферы самопроизвольно переходит в кинетическую энергию вращения вихря. То же самое происходит и при вихреобразовании эфира (рис. 5.11).
Лучше всего наблюдать процесс сжатия вихря с помощью так называемого ящика Вуда. Возьмите фанерный ящик из под посылки и провертите в его дне отверстие диаметром сантиметров 6-7. Вместо крышки натяните упругую мембрану, например, резину. Внутрь надо бросить дымовушку, чтобы коптела, например, поджечь расческу или что-нибудь другое. Поставьте ящик на бок и ударьте резко по мембране. Из отверстия тотчас же вылетит дымовой тороидальный вихрь (рис. 5.12).
1 |
2 |
3 |
4 |
Рис. 5.12. Образование газовых тороидов с помощью ящика Вуда:
1 – ящик Вуда; 2 – стадия сжатия тороида; 3 – стадия расширения тороида (диффузия); 4 – стадия развала тороида
Полет такого вихря можно разделить на три этапа. На первом вихрь сжимается. Здесь происходит увеличение энергии вихря за счет преобразования потенциальной энергии атмосферы – ее давления в кинетическую энергию вихря. На втором этапе вихрь
48
начинает расширяться. Здесь он теряет энергию. А на третьем заключительном этапе он тормозится и диффундирует, растворяется в воздухе. Вихрь окончил свое существование.
Знаменитый американский физик Роберт Вуд, придумавший этот ящик, развлекался тем, что на лекциях раздавал с его помощью пощечины разболтавшимся студентам, а на улице, прицелившись с подоконника, сбивал с прохожих шляпы на расстояниях в сотни метров. Желающие могут попробовать это на себе.