Вихревые газовые образования
Вихри, вообще, и газовые, в частности, являются одними из самых загадочных и малоизученных явлений природы. Хотя с вихревыми процессами связано очень много физических явлений. Причиной малой изученности является сложность искусственного создания и управления свободными вихревыми объектами. В лабораторных условиях проще всего создавать устойчивые линейные вихри, которые ограничены механическими конструкциями. Создать пару свободных линейных вихрей и контролировать процесс их взаимодействия - необычайно сложная задача. А создать одновременно два вихревых тора - еще более сложная задача. Большую помощь в понимании происходящих процессов может оказать обыкновенная логика.
.
Рисунок 1. Прямая газовая трубка
В работах многих авторов неправомерно отождествляются вихревые процессы в жидкостях и газах. Это совершенно разные среды. Основное отличие - жидкость практически не сжимается, а газ стремится занять весь предоставленный объем и может сжиматься многократно. Второе очень важное отличие - частицы жидкости имеют слабые связи между собой, которые, как и более сильные связи в твердых телах, ответственны за явление упругости. В газе этого нет. Газ обладает упругостью только при сдавливании в замкнутом пространстве и совсем по другим причинам. Жидкости присущи эффекты скольжения, а газу нет.
Рисунок 2. Винтовая газовая трубка
Самым простым вихревым газовым образованием является вихревая нить (линейный вихрь). В зависимости от способа движения газа, возможно существование нескольких типов линейных трубок:
Рисунок 3. Двухвинтовая газовая трубка
Частицы газа в стенках движутся по окружности или по винтовой траектории, практически не сталкиваясь друг с другом. В центре газовой трубы возникает пониженное давление. Это можно объяснить экранированием стенками трубы от внешнего давления газа. Давление газа - это эффект от столкновений с окружающими частицами газа. В идеальном случае, при большой скорости вращения, стенки трубы не пропускают внешние частицы газа внутрь трубы. В этом случае внутри трубы столкновение частиц газа с окружающими частицами газа может происходить только со стороны торцов трубы и давление внутри трубы минимально возможное. Чем меньше скорость вращения, тем больше высокоскоростных частиц внешнего газа начинают проникать сквозь стенки, в результате чего давление внутри трубы увеличивается. Вращение стенок газовой трубы обеспечивается равновесием (балансом сил) между внешним давлением и суммой внутреннего давления и центробежной силы. Молекулы воздуха в стенках трубы не имеют лобовых столкновений. Они только меняют траекторию движения под действием ударов молекул воздуха с внешней стороны трубы. Внешнее давление постоянно. При уменьшении внутреннего давления возникают силы, сжимающие вихрь и уплотняющие его стенки. В результате столкновений частиц внешнего газа со стенками вращающейся трубы, во вращение вовлекаются и прилегающие к стенкам слои газа. Чем дальше от стенок, тем меньшая скорость вращения прилегающих слоев. Так как в газе отсутствует скольжение, то скорость уменьшается постепенно, без скачков. Благодаря вращению прилегающих слоев линейные вихри могут взаимодействовать друг с другом.
Рисунок 4. Вихревая труба Ранке (из книги Потапова Ю.С.)
Линейную трубку третьего типа можно создать в технических устройствах типа "вихревая труба Ранке". Особенность данного устройства в том, что оно может разделять единый поток на два потока с разной температурой. Долгое время не могли этому явлению дать объяснение. Все дело в особенностях конструкции. Поток газа закручивается в линейный вихрь, который ограничивается металлическими стенками устройства. Под действием центробежных сил молекулы с максимальной кинетической энергией (скоростью вращения) стремятся к стенкам трубы, оттесняя при этом к центру молекулы с меньшей энергией. Происходит естественное непрерывное распределение молекул по скоростям, в зависимости от радиуса вращения. Если на дальнем конце выпускать поток через отверстие в стенке трубы или в непосредственной близости от стенок (из пристеночной зоны), то в этом потоке будут отфильтрованы молекулы газа с максимальной кинетической энергией (с максимальной температурой, так как температура напрямую связана со средней кинетической энергией молекул). Поток молекул с минимальной кинетической энергией выпускается на ближнем конце трубы через отверстие по оси трубы. Благодаря этому, поступательное движение газа вблизи оси противоположно поступательному движению газа около металлических стенок.
Рисунок 5. Воронкообразный газовый вихрь
В свободном виде три типа перечисленных выше линейных вихрей в природе навряд ли можно найти. Такие вихри неустойчивы из-за граничных условий на торцах. Здесь сопротивление среды резко возрастает из-за увеличения площади соприкосновения, в результате чего скорость вращения падает, а диаметр вихря возрастает. Торцы линейного вихря в естественных условиях стремятся приобрести воронкообразный вид. Под воздействием внешних условий воронкообразный вихрь еще может и изгибаться.
Рисунок 6. Фотография смерча (из книги Потапова Ю.С.)
При некотором уровне изгиба возможно срастание торцов воронкообразного вихря. В этом случае возможно образование симметричного вихревого кольца. Вихревое кольцо - это линейный вихрь, свернутый в кольцо. Искусственным способом такое кольцо проще всего получить с помощью другого механизма - резкого выхлопа тонкой струи. Таким способом забавляются курильщики, пуская дым изо рта.
Рисунок 7. Вихревое кольцо
У вихревого кольца появляется ряд новых свойств. Одно из свойств можно заметить, наблюдая за дымом из трубы. Обычный дым сносится ветром. Но если вдруг из дыма образуется кольцо, то оно начнет двигаться вертикально вверх, невзирая на скорость бокового ветра. Боковой ветер не оказывает влияния на направление движения вихревого кольца. Имеется еще одно очень интересное свойство вихревого кольца - оно самостоятельно движется без внешних сил. Этот феномен обусловлен возникновением общего потока газа по оси кольца. Сбивая на своем пути частицы среды, этот поток частично защищает вихревое кольцо от давления среды с одного торца. Общий поток аналогичен реактивной струе. Но вихревое кольцо от этой струи не отталкивается, а движется в сторону движения струи. Поэтому такой механизм возникновения движения можно назвать обратным реактивным двигателем. Боковой ветер и ветер вслед движению кольца равносильны повышению внешнего давления на стенки вихря, которое влечет уменьшение диаметра трубы с увеличением скорости вращения и, соответственно, скорости движения кольца. Только встречный ветер может уменьшить скорость движения кольца.
Вихревое кольцо в форме обруча является неустойчивым образованием. Под влиянием внешних воздействий оно начинает делиться, стремясь к максимальному соотношению диаметра трубы к диаметру кольца. Самым устойчивым является вихревое кольцо, у которого диаметр трубы близок к половине диаметра кольца. Вихревое кольцо гораздо устойчивей линейного вихря, так как у него нет торцов с граничными условиями. Благодаря этому внутренняя полость кольца может быть полностью отрезана плотными стенками от внешнего давления газа, в результате чего давление внутри кольца может быть значительно меньше, чем внутри линейного вихря. Больший перепад давлений может обеспечить большую скорость вращения стенок. А чем больше скорость вращения в момент стабилизации, тем более устойчив вихрь, тем больше время релаксации. Возможно существование нескольких типов вихревых колец:
Рисунок 8. Фотография тайфуна из космоса (из книги Потапова Ю.С.)
Торсионное вихревое кольцо можно представить в виде замкнутой винтовой газовой трубки, у которой соизмеримы (имеют один порядок) скорость вращения стенок и скорость поступательного движения вдоль оси. Другими словами, это замкнутая простая газовая трубка, вращающаяся вокруг оси симметрии со скоростью, соизмеримой со скоростью вращения стенок трубки. Простое вихревое кольцо можно представить в виде замкнутой простой газовой трубки, у которой скорость вращения вокруг оси симметрии или отсутствует или намного меньше скорости вращения стенок трубки. Винтовое вихревое кольцо можно представить в виде замкнутой простой газовой трубки, у которой скорость вращения вокруг оси симметрии намного больше скорости вращения стенок трубки. Примером простого вихревого кольца могут служить дымные кольца, формируемые на выходе из труб или пускаемые курильщиком.
Самыми большими вихрями в атмосфере Земли являются циклоны. Так как скорости поднятия масс воздуха в центре циклона соизмеримы со скоростью вращения масс воздуха вдоль поверхности Земли, то такой вихрь ближе всего к торсионному вихревому кольцу. Различия от классического кольца в том, что в циклонах слишком малы скорости, поэтому плотные стенки не образуются, они как бы размыты в пространстве. Тайфуны и ураганы на порядок меньше размерами, чем циклоны. При примерно прежней скорости поднятия масс воздуха в центре, скорости вращения вдоль поверхности Земли увеличиваются на порядок.
Рисунок 9. Движение воздуха за пределами смерча
Самыми разрушительными вихрями в атмосфере являются смерчи (торнадо). При примерно прежней скорости поднятия масс воздуха в центре, скорости вращения вдоль поверхности Земли доходят до максимума. У смерча уже образуются плотные стенки. Зафиксированы случаи вращения стенок смерча, диаметром несколько метров, со скоростью звука. Смерчи образуются в результате быстрого движения вверх прогретых масс воздуха или при столкновении двух воздушных фронтов. Однако над поддержанием существования, также как и в случаях циклона и тайфуна, работает давление всей атмосферы планеты. На первый взгляд, смерч ближе всего к воронкообразным линейным вихрям третьего типа. Более тщательный анализ позволяет сделать вывод о том, что у смерча есть признаки и винтового вихревого кольца, то есть смерч является вихревым образованием, промежуточным между линейным и кольцевым. Тело смерча является керном огромного вихревого кольца. Керн - это центральная часть кольца, самая плотная и устойчивая в случаях, когда диаметр d замкнутой трубы близок к половине диаметра D вихревого кольца.
Владимир Яковлев, lun1@list.ru , http://logicphysic.narod.ru , январь 2005 года
