НА ГЛАВНУЮ СТРАНИЦУ

Удивительный эффект легко заметить, наблюдая за поведением выходящего из трубы дыма. Обычный дым легко сдувается ветром, а сформировавшиеся кольца до начала релаксации двигаются перпендикулярно вверх. И подъем теплого воздуха тут совершенно ни при чем – он сдувается вместе с дымом. Если за систему отчета взять не трубу, а ламинарный поток воздуха, то можно сформулировать предыдущую фразу несколько по другому: воздух практически не оказывает движущемуся кольцу дыма лобового сопротивления, его сопротивление в основном направлено на смещение колец в сторону. Нечто аналогичное фиксировалось при экспериментальных исследованиях на водяном канале. В потоке воды иногда появлялись группы водоворотов, которые не смывались течением воды, а лишь совершали колебания относительно неких центров.

Поведение вихрей при наличии ветра должно быть аналогично поведению вращающихся твердых тел. Но воздействие ветра на газовые вихревые объекты должно иметь свои особенности. Первая особенность – в отличие от твердотельных объектов, у вихревых объектов существует ограничение на скорость вращения. Линейная скорость стенок вихря не может быть больше скорости звука.

Вторая особенность связана со способностью к сжатию. Ветер в первую очередь должен деформировать форму одиночного цилиндрического вихря. Это связано с тем, что ветер ускоряет движение масс газа с одной стороны вихря и тормозит – с другой стороны. В результате деформации поперечный срез вихря должен принять овальную форму.

При воздействии ветра на линейную вихревую пару кроме деформации формы еще должно происходить изменение диаметров цилиндрических вихрей. Если ветер дует с тыла, то действие силы смещения по формуле F=k[VxM] направлено в противоположные стороны на отодвигание вихрей друг от друга. Если силы смещения меньше сил притяжения, то уменьшится сила притяжения, в результате чего диаметр вихрей увеличивается. Если силы смещения превысят силы притяжения, то вихри разлетятся в разные стороны, увеличившись в размерах. Если ветер дует с фронта, то силы смещения направлены навстречу друг другу. Вихри плотней прижимаются друг к другу, следствием чего является уменьшение их размеров. Самым устойчивым положением является ориентация “ветер с тыла”. Любые отклонения приводят ориентации “ветер с фронта” и “ветер с боку” к ситуации “ветер с полубоку”. А в этом положении вихри смещаются в противоположные стороны, разворачиваясь в положение “ветер с тыла”.

Простое вихревое кольцо в любом сечении, проходящем через ось симметрии, можно рассматривать как пару цилиндрических вихрей. Если ветер дует с тыла, то действие силы смещения по формуле F=k[VxM] направлено в противоположные стороны на отодвигание вихрей друг от друга. Но так как вихри замкнуты в единый вихрь, то результатом воздействия ветра будет увеличение диаметра кольца.

Если ветер дует с фронта, то силы смещения направлены навстречу друг другу. Вихри будут стремиться приблизиться друг к другу. Но так как вихри замкнуты в единый вихрь, то результатом воздействия ветра будет уменьшение диаметра кольца. Если ветер дует строго с боку, то ближний к ветру срез отгородит от ветра дальний срез. В результате чего силы смещения начнут смещать вихревое кольцо аналогично смещению диска или одиночного цилиндрического вихря. Но такое положение не является устойчивым. Любое отклонение приводит к ситуации “ветер с полубоку”. В таком положении ветер воздействует на оба среза. Оба среза стремятся сместиться в противоположные стороны, разворачивая кольцо тылом к ветру. Впрочем, неустойчивым является и ситуация “ветер с фронта”. Любое отклонение опять приводит к ситуации “ветер с полубоку”, приводящий к развороту кольца тылом к ветру.

Влияние ветра на винтовое вихревое кольцо почти полностью аналогично влиянию на простое вихревое кольцо. Небольшое отличие должно быть при боковом ветре. В этом случае винтовое кольцо будет смещаться одновременно в двух направлениях. Смещение в одном направлении, также как и у простого вихревого кольца, обусловлено тороидальным вращением. Смещение в другом направлении обусловлено уже наличием кольцевого вращения. Проекция траектории будет иметь форму петли уже в двух перпендикулярных плоскостях. Теперь изменим систему координат и будем считать, что ветра нет, а вихревое кольцо движется по инерции. Тогда интересны два частных случая. В первом случае, если кольцо движется тылом вперед, то оно будет увеличиваться в размерах и расплываться. А если же оно двигается фронтом вперед, то будет фокусироваться, то есть появятся силы, которые будут стремиться сжать кольцо и которые будут удерживать его от расплывания.

Самым удивительным должно быть воздействие ветра на систему цилиндрических вихрей (типа вихревой дорожки Кармана). Вихри в системе расположены в шахматном порядке. Все вихри в каждом ряду системы имеют одно направление вращения, но вихри соседних рядов вращаются в разные стороны. Такое расположение обеспечивает взаимное притяжение вихрей из соседних рядов. Теория Кармана, построенная без учета вязкости, показывает, что такая дорожка устойчива при отношении ее ширины к продольному расстоянию между вихрями, равном 0,28.

Силы смещения по формуле F=k[VxM] для вихрей соседних рядов направлены в противоположные стороны. Если силы смещения меньше сил притяжения, то вся система вихрей будет оставаться на месте. Возможны лишь незначительные смещения соседних рядов относительно друг друга и колебания каждого из вихрей относительно некой точки равновесия. Наличие ветра, таким образом, не является причиной, которая могла бы привести систему вихрей в движение. Если поменяем систему отчета, то вывод будет сформулирован по-другому: движущейся системе цилиндрических вихрей окружающая среда не оказывает сопротивления движению.

Владимир Яковлев, lun1@list.ru , http://logicphysic.narod.ru , май 2006 года