Возмущения среды газовыми вихрями
Для осуществления экспериментов с замкнутыми газовыми вихрями необходимо, чтобы они имели продолжительное время жизни. Наблюдения за природными газовыми вихрями в атмосфере позволили выявить зависимость времени жизни этих образований от скорости вращения стенок. Чем больше скорость вращения стенок - тем больше время существования. Максимальное время жизни при звуковой скорости вращения стенок вихря. Диаметр трубки вихря, при этом, должен быть около 10 метров. В маленькой лаборатории такой вихрь создать невозможно. Но не будем ждать экспериментаторов и попытаемся теоретически проследить возможные виды взаимодействия газовых вихревых образований со средой и друг с другом. Рассмотрим сначала возмущения среды твердыми сферическими телами.
Рисунок 1. Повышение плотности газовой среды вокруг не вращающегося объекта
Не движущийся и не вращающийся твердый сферический объект является просто препятствием для частиц окружающей газовой среды. Сталкиваясь с объектом, частицы теряют составляющую импульса, направленную к центру объекта, в результате чего вокруг объекта создается повышенная плотность газовой среды.
Рисунок 2. Притяжение не вращающихся объектов
Каждый такой объект является препятствием (экраном), которое мешает частицам среды столкнуться с соседним объектом. В результате этого между двумя объектами возникает пониженное давление среды. Более высокое давление с других сторон вынуждает объекты двигаться навстречу друг другу. Между такими объектами существует только сила притяжения.
Рисунок 3. Дополнительные силы взаимодействия между вращающимися объектами
Другое дело, если объекты вращаются. В этом случае, в зависимости от взаиморасположения плоскостей вращения, возможно появление либо дополнительных сил притяжения, либо сил отталкивания. Вращающиеся объекты увлекают во вращение окружающую газовую среду. При этом, если вращение объектов приводит к понижению давления среды между объектами, то возникают дополнительные силы притяжения. Если вращение объектов приводит к повышению давления между объектами, то возникают силы отталкивания.
Рисунок 4. Распространение возмущений от обычного объекта, v/з<1 и v/з>=1 (з- скорость звука)
Если невращающийся объект движется, то он будет создавать возмущения газовой среды в виде повышенной плотности впереди и с боков по направлению движения и в виде пониженной плотности - позади. Объемная конфигурация возмущений будет зависеть от соотношения скорости объекта и скорости распространения возмущений (скорости звука в данной среде). Если скорость объекта меньше скорости звука, то возмущения будут распространяться в форме объемного элипсоида, возмущения повышенной плотности - в сторону движения объекта и с боков, а возмущения пониженной плотности - позади. Если скорость объекта больше либо равна скорости звука, то возмущения повышенной плотности будут распространяться только в виде конусообразного фронта за объектом, а возмущения пониженной плотности будут распространяться внутри этого конуса.
Рисунок 5. Формирование вихревых колец движущимся сферическим объектом
Между областями повышенной и пониженной плотности должны существовать области перехода, в которых создаются условия для завихрения среды. Если форма объекта близка к сферической, то из завихрений возможно формирование правильных вихревых колец.
Рисунок 6. Возмущения среды движущимся объектом, направление момента вращения которого совпадает с направлением движения, при v/з<1 (з- скорость звука)
Возмущения от движущихся вращающихся объектов будут иметь свои особенности. Вращающийся объект увлекает во вращение окружающую среду, в результате чего у возмущений плотности появляется вихревая составляющая, а вихревые кольца, формируемые из завихрений позади объекта, приобретут кольцевую составляющую вращения.
Рисунок 7. Возмущения среды движущимся объектом, направление момента вращения которого совпадает с направлением движения, при v/з>=1 (з- скорость звука)
Газовые вихри являются динамическими объектами, поэтому окружающая их газовая среда подвергается возмущениям в любом случае. Одни возмущения существуют всегда, независимо от того, движется вихревой газовый объект или не движется. Другие возмущения возникают только при движении. От простой газовой трубки в окружающей среде распространяется простое вращение, быстро затухающее с расстоянием. От винтовой газовой трубки распространяется винтовое вращение.
Рисунок 8. Распространение вихревых возмущений от пары однонаправленных линейных вихрей
При сближении двух идентичных газовых трубок, вращающихся в одну сторону, трубки начинают вращаться по окружности, а в среде распространяется простое вращение, аналогичное возмущению от одной трубки.
Рисунок 9. Распространение струйных возмущений от линейной пары
Возмущения, вносимые в среду самодвижущейся линейной парой, имеют особенности. Эксперименты с дымными кольцами показывают, что газ, содержащийся в вихревых трубках, мало смешивается с окружающей средой и переносится вихревой трубкой. Точно такие же процессы должны происходить и с вихревыми трубками линейной пары. Газ вихревых трубок не смешивается с окружающим газом, но оказывает на него воздействие при вращении и движении. Обе вихревые трубки вовлекают во вращение близлежащие слои окружающего газа. Но направление вращений противоположно, поэтому между трубками линейной пары возникает общая плоская расширяющаяся струя газа. Эта струя создает пониженное давление с одной стороны линейной пары. Разница давлений с противоположных сторон вынуждает линейную пару двигаться самостоятельно, без приложения внешних сил, в сторону распространения струи. Противоположные возмущения возникают с другой стороны. Здесь газовый поток движется, ссужаясь, к линейной паре. Если время релаксации линейной пары намного больше времени наблюдения, то наблюдатель не сможет зафиксировать изменения ее скорости движения в однородной среде. Направление движения линейной пары совпадает с направлением распространения струи, а в реактивных двигателях направление реактивной струи противоположно направлению движения объекта. Двигатель линейной пары, по аналогии, можно назвать обратным реактивным двигателем.
Рисунок 10. Возмущения среды от движения линейной пары
Возмущения распространяются и от вращения трубок. Наличие движения приводит к тому, что вихревое возмущение сочетается с отражением (возмущениями плотности) и кумулятивными струями и превращается в комбинированное веерное возмущение, в котором газ движется одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Комбинированное возмущение затухает уже не так сильно, как простое вихревое возмущение.
Рисунок 11. Комбинированные возмущения от линейной пары
Возмущения среды происходят со всех сторон линейной пары, струйные возмущения в плоскости движения плавно переходят в комбинированные вихревые возмущения в плоскости, перпендикулярной плоскости движения. Возмущения симметричны относительно плоскости движения линейной пары. Линейная пара при свободном движении составляет единое целое с возмущениями, двигаясь вместе с ними.
Рисунок 12. Вид правовинтового торсиона с торца, сбоку и сбоку в разрезе
Рассмотрим теперь возмущения среды, создаваемые винтовыми тороидами. Это вихревые кольца с плотными стенками, у которых кроме тороидального вращения имеется еще и такого же порядка кольцевое вращение стенок. Калиброванные вихри такого типа, диаметр трубки у которых соизмерим с половиной диаметра кольца, будем называть торсионами.
Рисунок 13. Нормальная траектория самодвижущегося торсиона
Причина наличия кольцевого вращения может быть связана с предысторией возникновения торсиона. Торсионы подразделяются на правовинтовые и левовинтовые по соотношению направлений кольцевого и тороидального вращений, то есть отличаются полярностью.
Рисунок 14. Траектория движения левовинтового торсиона после бокового толчка
Торсион, аналогично линейной паре, обладает обратным реактивным двигателем. И в однородной среде торсион ведет себя также, то есть самостоятельно движется прямолинейно и равномерно. Боковой толчок или взаимодействие кольцевого вращения с боковым ветром приводит к началу движения торсиона по спиральной траектории. При этом, левовинтовые торсионы двигаются по правовинтовой траектории, а правовинтовые торсионы двигаются по левовинтовой траектории.
Рисунок 15. Распространение струйных возмущений от торсиона
Торсион, также как и линейная пара, создает струйные возмущения среды. Различия лишь в форме. Линейная пара создает плоские возмущения, а торсион - пучковые.
Рисунок 16. Комбинированные возмущения среды торсионом
Поперек направления движения торсиона распространяется вихревое возмущение, комбинированное с отражением. Возмущения среды происходят со всех сторон торсиона. Струйные возмущения вдоль оси движения плавно переходят в комбинированные вихревые возмущения в плоскости, перпендикулярной плоскости движения. Если торсион движется по прямой линии, то возмущения симметричны относительно оси торсиона. Если траектория движения винтовая, то симметрия нарушается. Торсион при свободном движении составляет единое целое с возмущениями, двигаясь вместе с ними. Таким образом, торсион на значительном расстоянии вокруг себя создает возмущения окружающей газовой среды, аналогичные возмущениям от линейной пары. Основные отличия по типу симметрии. У торсиона возмущения симметричны относительно оси, а у линейной пары - относительно плоскости.
Владимир Яковлев, lun1@list.ru , http://logicphysic.narod.ru , апрель 2005 года
