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 вихревыми объектами. Создать пару линейных вихрей и смотреть, как они будут взаимодействовать между собой - необычайно сложная задача. А создать одновременно два вихревых тора - еще более сложная задача. На данный момент может выручить только логика. В работах многих авторов ошибочно 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.
Итак, рассмотрим процессы взаимодействия вихрей в газовой среде. Самым простым вихревым образованием является вихревая нить (линейный вихрь). Природным аналогом такого образования является торнадо. Это газовая труба с уплотненными стенками. Уплотненные стенки невозможны в жидкой среде. Частицы газа в стенках движутся по окружности, практически не сталкиваясь друг с другом. В центре газовой трубы возникает пониженное давление. Это можно объяснить экранированием стенками трубы от внешнего давления газа. Ведь давление газа - это эффект от столкновений с окружающими частицами газа. Внутри трубы столкновение частиц газа с окружающими частицами газа может происходить только со стороны торцов трубы, так как стенки трубы не пропускают внешние частицы газа внутрь трубы. Чем меньше диаметр трубы, тем меньшее давление внутри трубы. Вращение стенок обеспечивается равновесием внешнего давления с суммой внутреннего давления и центробежной силы. Взаимодействие центробежной силы и разницы давлений и является причиной уплотнения стенок вихря. Внешнее давление постоянно. При уменьшении внутреннего давления возникают силы, сжимающие вихрь. Чем меньше диаметр трубы, тем больше скорость вращения стенок. Зафиксированы случаи вращения стенок торнадо, диаметром несколько метров, со скоростью звука. Молекулы воздуха в стенках трубы не имеют лобовых столкновений. Они только меняют траекторию движения под действием ударов молекул воздуха с внешней стороны трубы. Поэтому, нет никаких оснований считать, что стенки трубы не могут вращаться со скоростью, значительно большей скорости звука, при дальнейшем уменьшении диаметра торнадо. Торнадо образуются в результате движения вверх прогретых больших масс воздуха или при столкновении двух воздушных фронтов. Однако над поддержанием существования работает давление всей атмосферы планеты. 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 вихревые нити и могут взаимодействовать друг с другом.
Рисунок 1. Варианты взаимодействия линейных вихрей
На рисунке выше показаны три возможных варианта взаимодействия линейных вихрей одинаковых геометрических размеров. В первых двух вариантах вихри параллельны друг другу. В первом случае вихри вращаются в одном направлении. Прилегающие к каждому вихрю вращающиеся слои газа давят на соседний вихрь таким образом, что вынуждают вихри вращаться по окружности вокруг общего центра. Между вихрями прилегающие слои направлены навстречу друг другу. Здесь они компенсируют друг друга и создают повышенное давление между вихрями. Направление результирующего взаимодействия (притяжение или отталкивание) будет зависеть от соотношения гравитационной силы, центробежной силы и силы отталкивания в результате разницы давлений снаружи и между вихрями.
Во втором случае вихри вращаются в разных направлениях. По одну сторону от плоскости, проходящей через вихри, прилегающие вращающие слои ослабляют друг друга и давят на вихри, формируя силы, направленные на отталкивание вихрей по расходящимся траекториям. По другую сторону от плоскости прилегающие вращающие слои усиливают друг друга, формируя общую вихревую струю, направленный поток газа, сбивающий на своем пути все встречные частицы газа. В результате этого, с этой стороны плоскости частицы газа уже не могут давить на вихри. Давление частиц газа на вихри с другой стороны заставляет вихри начать движение в сторону уменьшения давления. Другими словами, можно сказать, что пара вихрей имеет собственный реактивный двигатель обратного действия. Одновременно создается небольшое пониженное давление и между вихрями. Направление результирующего взаимодействия (притяжение или отталкивание) будет зависеть от соотношения гравитационной силы, силы отталкивания и силы притяжения в результате разницы давлений снаружи и между вихрями.
В третьем, гипотетическом, варианте вихревые нити не параллельны друг другу. В этом случае при любых направлениях вращения вихрей прилегающие к вихрю вращающиеся слои газа будут оказывать давление на другой вихрь. Если в первом варианте давление оказывается на весь вихрь, то в данном случае только на часть вихря по одну сторону от оси пересечения линейных вихрей. Причем, самое высокое давление оказывается в непосредственной близости от оси пересечения. В зависимости от параметров вихрей и их взаиморасположения возможны три сценария дальнейших событий. По первому сценарию вихри просто выгибаются в месте наибольшего давления. По второму сценарию вихри отталкиваются друг от друга. По третьему сценарию вихри начинают вращаться относительно друг друга по сложным траекториям.
Вихревое кольцо - это линейный вихрь, свернутый в кольцо. У такого вихря 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, не взирая на скорость бокового ветра. Боковой ветер не оказывает влияния на направление движения вихревого кольца. А вот скорость движения кольца должна увеличиваться с увеличением ветра. Если рассматривать части кольца относительно оси симметрии, то мы увидим аналог второго варианта с линейными вихрями, то есть вихревое кольцо имеет аналогичный обратный реактивный двигатель. 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. Оно начинает делится, стремясь к максимальному соотношению диаметра трубы к диаметру кольца. Самым устойчивым является вихревое кольцо, у которого диаметр внутреннего отверстия стремится к нулю. Вихревое кольцо гораздо устойчивей вихревой нити, 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 газа 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. При очень высоких скоростях поверхность вихревого кольца приобретает устойчивость и упругость и становится аналогом кольца из твердой резины. Такие вихри не разрушаются даже при лобовом столкновении. Взаимодействовать вихревые кольца могут только при следующих случаях:
В первом случае при малых скоростях вращения возникает интересное явление, так называемая игра колец. Заднее кольцо раздвигает переднее и проходит сквозь него. Кольцо, ставшее задним, повторяет то же самое.
Чем меньше размер колец, тем больше скорость вращения стенок. При определенных параметрах размеров колец и плотности стенок кольца приобретают стабильность и противодействуют раздвиганию, поэтому игра колец становится невозможной.
Во втором случае кольца встречаются при движении друг к другу. При малых скоростях вращения стенок колец раздвигается то кольцо, у которого меньше скорость вращения. Кольца проходят друг через друга и разлетаются в разные стороны. При больших скоростях вращения кольца крепко прижимаются друг к другу и образуют неподвижный объект. В таком объекте возникает эффект саморазгона. Вращение стенок одного кольца ускоряют вращение стенок другого кольца. В результате чего объект становится практически бессмертным. Он будет существовать до тех пор, пока существует окружающий газ. Данный объект уже не имеет собственного двигателя и законы движения одиночного кольца к нему не применимы. Этот объект может двигаться только потоками газа. Из места соединения колец извергается плоская круговая струя.
В литературе о вихрях взаимодействие двух замкнутых вихрей чаще всего подменяется взаимодействием одного вихря со стенкой. При этом стенка заменяет зеркальное изображение вихря. Рассуждения приводят к тому, что, в результате взаимодействия элементов одного вихря на элементы другого с противоположной стороны от оси, вихри начнут увеличиваться. Если подобные рассуждения применить к одному вихрю, то, в результате аналогичного давления противоположных от оси элементов, одиночный вихрь также должен увеличиваться в размерах. Однако, в течении стабилизированного существования вихря подобного явления не происходит. Сила притяжения, возникающая при уменьшении давления в центре вихря из-за однонаправленного движения соприкасающихся стенок трубчатого вихря, компенсирует отталкивание. Возникает баланс сил между силами отталкивания и притяжения. Аналогичный баланс сил неизбежно должен возникнуть при соединении двух вихрей. Баланс сил возникает на новом уровне, поэтому размеры одиночного вихревого кольца и кольца двойного комплекса должны отличаться.
В третьем случае и четвертом случае, когда кольца двигаются параллельно или пересекаются, их взаимодействие таково, что кольца разворачиваются и начинают двигаться по второму варианту. На рисунке ниже показаны кольца в разрезе при боковом взаимодействии. Каждое кольцо формирует обратную реактивную струю, с помощью которой оно и движется. Однако, между кольцами формируется третья струя, направленная в противоположную сторону. Эта струя также создает пониженное давление газа. Разница давлений вынуждает кольца развернуться навстречу друг другу. Между кольцами также формируется пониженное давление. В результате разницы давлений кольца одновременно с разворотом двигаются навстречу друг к другу и соединяются в единый объект.
Рисунок 2. Боковое взаимодействие вихревых колец
По исследованиям экспериментаторов, максимальную устойчивость имеют вихревые торсионы, то есть вихревые кольца, у которых кроме тороидального вращения имеется еще и кольцевое вращение стенок. В однородной среде торсион ведет себя так же, как и вихревое кольцо, то есть движется прямолинейно и равномерно. Встречный ветер и ветер вслед движению также влияют на скорость движения. Но боковой ветер же уже влияет не только на скорость движения, но и на траекторию. Взаимодействие кольцевого вращения с боковым ветром приводит к началу движения торсиона по спиральной траектории. Рассмотрим взаимодействие калиброванных торсионов с очень высокой скоростью вращения стенок. Взаимодействие таких торсионов объединяет правила взаимодействия вихревых нитей и правила взаимодействия вихревых колец. При этом возникают новые особенности. Возможно существование двух типов торов, в зависимости от соотношения направлений тороидального и кольцевого вращений. Возможны только три варианта взаимодействия калиброванных торсионов одной полярности:
Рисунок 3. Взаимодействие однополярных торсионов при сближении
При параллельном движении торсионов прилегающие к одному торсиону слои газа действуют на другой торсион таким образом, что начинается разворот торсионов навстречу друг другу, происходит переход во второй вариант. На рисунке выше показана последовательность поведения торсионов в разрезе при втором варианте взаимодействия. На крайней левой картинке показано сближение торсионов. Прилегающие слои газа разворачивают торсионы навстречу друг другу. Их новое взаиморасположение показано на второй картинке (частный случай третьего варианта). Торсионы останавливаются на некотором расстоянии друг от друга согласно баланса сил. Кольцевые вращения прилегающих к торсионам слоев газа направлены навстречу друг другу, поэтому между торсионами создается повышенное давление, препятствующее торсионам приблизиться вплотную друг к другу. Такое положение торсионов является устойчивым до тех пор, пока какой-либо внешний толчок не сместит торсионы от оси симметрии до положения, показанного на третьей картинке (ось одного торсиона заходит за границу второго). В этом положении прилегающие газовые слои усиливают действие возмущения и продолжают смещать торсионы до тех пор, пока они не разойдутся в противоположные стороны. На четвертой (крайней справа) картинке показана последняя стадия взаимодействия. Торсионы окончательно отошли друг от друга и начинают движение в противоположные стороны.
При движении торсионов навстречу друг другу происходит их столкновение с возникновением затухающих колебаний около расстояния с балансом сил. Причиной колебаний является наличие противоположно действующих сил.
Взаимодействия торсионов разной полярности имеет существенные отличия. При сближении торсионов по пересекающимся траекториям происходит аналогичный разворот навстречу друг другу. Но на этот раз торсионы не останавливаются на некотором расстоянии, а крепко прижимаются друг к другу. В таком положении и тороидальное и кольцевое вращение у обоих торсионов направлены в одну сторону и создают общую круговую струю. Образуется единый объект из двух разнополярных торсионов.
В.В.Яковлев, lun1@list.ru
