В своей работе «Введение в теорию гидродинамической устойчивости.» Ф. Дразин [1] отмечал: «Переход к турбулентности до сих пор не очень хорошо понят. Двумерная неустойчивость по линейной теории с последующим применением преобразования Сквайра контрастирует с наблюдаемой трехмерностью турбулентности, а также с локальной природой турбулентных пятен. Имеется фактически два класса теорий для объяснения турбулентных пятен. В теориях первого класса слаболинейные волны Толлмина-Шлихтинга дают развитие вторичным неустойчивостям, которые уже трехмерны. Происходит короткая последовательность бифуркаций с последовательностью режимов течения вниз по потоку, которая быстро ведёт к трехмерности, хаосу и турбулентности .В теориях второго класса имеет место некий «побочный» механизм, посредством которого докритическое возмущение конечной амплитуды вызывает турбулентность непосредственно».
Читая фразу о некоем «побочном» механизме, которое вызывает турбулентность, невольно вспоминается закон, выведенный Карлом Бэром в 19 веке, объясняющий влияние вращения Земли на подмыв берегов рек, текущих по меридиану, причем в Северном полушарии не зависимо от того, течет река на юг или на север, подмывается правый берег, а в южном – левый. Объясняется это тем, что силы инерции, возникающие в потоке воды под воздействие вращения Земли, изменяются в зависимости от положения потока, что вызывает поперечные течения в реках, которые и подмывают берега.
С этим был согласен и А.Эйнштейн, который в 1926 году выступил с докладом «Причины образования извилин в руслах рек и так называемый закон Бэра» в Прусской академии.
Это была первая попытка объяснить возникновение турбулентности с помощью вращения Земли.
Кстати Ф. Дразин в уже упомянутой работе отмечал: «Множество черт перехода от ламинарного течения к турбулентному можно легко увидеть, наблюдая дым от сигареты. Зажгите сигарету, поднимите зажженный конец вверх и наблюдайте за дымом, как он поднимается». Если учесть, что такой опыт можно провести только в абсолютно закрытом помещении ( не имеющего сквозняковых потоков воздуха) то очевидно, что в качестве «побочного» механизма может выступить только вращение Земли.
Целью настоящей работы является показать некоторые особенности образования турбулентности в движущемся потоке жидкости или газа.
Однако, прежде чем приступить к рассуждениям об особенностях возникновения данного вида турбулентности (водоворот, смерч), давайте определимся, что будем называть движущимся потоком жидкости или газа.
Движущийся поток жидкости или газа — это определённый или неопределённый объём жидкости или газа, находящийся над определенной поверхностью Земного Шара и совершающий движение вместе с этой поверхностью, имея при этом направление и скорость перемещения, равную скорости и направление перемещения этой поверхности, или иное направление и другую скорость перемещения.
РАССУЖДЕНИЕ №1. Образование водоворота.
Возьмем ванну, для простоты решения задачи — квадратную, со сливным отверстие посредине, наполним её водой и поставим на Северное полушарие Земного шара (см. рис 1). Отметим, что поверхность воды будет перпендикулярна линии диаметра Земли, проходящей через центр ванны или в нашем случае — через сливное отверстие.
На одинаковом расстоянии от линии диаметра АО выделим две элементные частицы воды — m1 и m2. Относительно Земли они находятся в состоянии покоя.
Рассмотрим силы, которые воздействуют на эти частицы воды. Во-первых, это сила тяжести F1 и F2, а во-вторых, это силы инерции F3 F4, которые образуются при вращении Земли. Эти силы инерции будут находиться в прямой зависимости от угловой скорости Земли и от расстояния положения наших частиц воды от оси вращения Земли:
Fv = f{ w; R}
Нетрудно заметить, что если расстояние у частицы m2 до оси вращения Земли больше, чем у частицы m1, то и сила инерции этой частицы F4 будет больше, чем сила инерции F3 частицы m1.
Рассмотрев силы, действующие на элементные частицы воды, находящихся в состоянии покоя, нарушим это состояние — вытащим пробку из сливного отверстия (см. рис. 2).Вода в этом случае будет выливаться из ванной, и наши элементные частицы также будут стремиться вырваться на простор через сливное отверстие, то есть на них станет действовать сила Fу (F7у и F8у), влекущая их к сливному отверстию. Эти силы по абсолютной величине равны между собой. Они будут составляющими силы тяжести (F1 и F2) и силы, направляющие эти частицы к центру ванны — F5 для частицы m1 и F6 для частицы m2.
Учитывая, что силы, действующие на одну точку, можно сложить для получения равнодействующей, сложим F3 с силой инерции F7у, а силу F4 — с силой инерции F8у.
Полученные равнодействующие силы F7х и F8х будут составлять для наших частиц крутящий момент относительно воображаемого диаметра Земли, проходящего через сливное отверстие. Учитывая, что F4 больше чем F3, получим, что F8х будет больше, чем F7х. Эта сила F8х, преодолевая противодействие силы F7х, будет вращать водоворот против часовой стрелки в северном полушарии Земного Шара и образовывать тот самый rotor R. На фотографии (рис. 4) показан такой водоворот в естественных условиях. На рис. 3 показаны все силы, упомянутые в данном рассуждении в аксонометрии, причем по направлению сил очевидно, что тело, попавшее в водоворот, будет не только закручиваться, но и увлекаться на дно водоёма.
Для того, чтобы прекратить действие водоворота, надо просто поставить пробку на свое место в сливное отверстие.
Кстати, учитывая эти рассуждения, можно получить искусственный водоворот каждому у себя дома. Для этого надо набрать в ванну 15-20см воды и открыть сливное отверстие. Через некоторое время вы увидите, как над сливным отверстием образуется водоворот без каких-либо усилий с вашей стороны.
Рис. 4
РАССУЖДЕНИЕ №2. Образование смерча (тромба, торнадо).
Возьмём (с точки зрения наблюдателя) достаточно ровную поверхность Северного полушария Земного Шара (см. рис. 5). На этой поверхности возьмём две элементные частицы воздуха m1 и m2 , находящиеся на некотором расстоянии друг от друга. Через центр Земного Шара и середину расстояния между двумя этими элементными частицами проведем воображаемую ось ОА. Относительно Земли частицы воздуха m1 и m2 находятся в состоянии покоя.
Рассмотрим силы, которые воздействуют на эти частицы воздуха. Во-первых это сила тяжести F1 и F2, а во-вторых, это силы инерции F3 и F4, которые образуются при вращении Земли. Эти силы инерции будут находиться в прямой зависимости от угловой скорости Земли и от расстояния положения наших частиц воздуха от оси вращения Земли:
Fv = f{ w; R}
Нетрудно заметить, что если расстояние у частицы m2 до оси вращения Земли больше, чем у частицы m1, то и сила инерции этой частицы F4 будет больше, чем сила инерции F3 частицы m1.
Предположим, что на большем расстоянии от поверхности Земли, чем находятся эти частицы, возникла область достаточно низкого давления (см. рис. 6). В результате от поверхности Земли в эту область будет направляться поток воздуха вертикально вверх (на рис. 6 вдоль оси ОА). На наши элементные частицы m1 и m2 будут воздействовать силы F5 и F6, влекущие их к воображаемой оси ОА так как в результате подъёма потока воздуха в этом месте будет понижаться атмосферное давление, и силы F7 и F8, которые вместе с вертикальным потоком воздуха будут поднимать наши частицы вверх, если эти силы будут больше сил тяжести этих частиц. Эти силы F5 и F6, F7 и F8 будут равны по абсолютной величине, причем F7 и F8 будут параллельны друг другу, а F5 и F6 — направлены встречно. Сложим все силы, действующие на частицы m1 и m2 . Получим равнодействующие этих сил : F9ху — для частицы m1 и F10ху — для частицы m2. Учитывая, что F4 больше чем F3, получим, что F10ху будет больше, чем F9ху. Эта сила F10ху, преодолевая противодействие силы F9ху, будет вращать поток воздуха против часовой стрелки в северном полушарии Земного Шара и образовывать тот самый rotor R в воздушном потоке.
На рис. 7 показаны все силы, упомянутые в данном рассуждении, в аксонометрии, где равнодействующие — F9 и F10. На фотографии (рис. 8) показан смерч, образовавшийся над водной поверхностью — «водяной столб». Управлять таким смерчем достаточно сложно: надо определить размер области низкого давления и каким-то способом, например методом объёмного взрыва, увеличить в этой области давление.
Все эти рассуждения — чисто аналитические без применения абсолютных величин. Абсолютные величины этих сил — весьма малы и любое постороннее
Рис.8
вмешательство может направить rotor R в обратную сторону.
Ещё одно маленькое замечание. Смерч в виде столба будет, если образующий поток воздуха направлен вертикально вверх. В случае направления образующего потока воздуха вертикально вниз, смерч будет воронкообразный (как водоворот), причем скорость потока воздуха в верхней части воронки будет превышать 120 м/сек.
Из всех этих рассуждений можно сделать следующий вывод:
ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ ВОДОВОРОТА ИЛИ СМЕРЧА В МАССЕ ГОРИЗОНТАЛЬНО ДВИЖУЩЕГОСЯ ПОТОКА ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА НЕОБХОДИМО ЛОКАЛЬНОЕ ВЕРТИКАЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ НЕБОЛЬШОЙ ЧАСТИ ЭТОЙ ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА ПРИЧЕМ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ МЕСТА РАСПОЛОЖЕНИЯ ЭТОГО ОБРАЗОВАНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМНОГО ШАРА ОНО БУДЕТ ИМЕТЬ ВРАЩЕНИЕ ПРОТИВ ИЛИ ПО ЧАСОВОЙ СТРЕЛКИ.
Раскрытие физической сущности образования водоворота, смерча даёт следующие научные и практические значения:
- Вводит новое направление исследования — влияния вращения Земного Шара на движущийся поток жидкости или газа не только на поверхности Земли, но и в закрытых объёмах , например трубопроводах.
- Вводит новое направление исследования — детальное изучение образованных водоворотов и смерчей с целью определения размеров и мощности этих явлений.
- Даёт возможность проведение исследований и разработки нового типа гидроэлектростанций с использованием водоворота в качестве бесконечного движителя специальных турбин этих станций; такие гидроэлектростанции будут обладать КПД большим, чем у существующих, и требовать меньших затрат на их строительство.
- Даёт возможность проведения исследований по разработки методов и способов борьбы со смерчами.
- Даёт возможность проведение исследований и разработки нового типа стационарных и передвижных пневмоэлектростанций на основе искусственно созданных смерчей.
ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:
- Ф. Дразин. Введение в теорию гидродинамической устойчивости. Москва. «Физматлит» 2005.
- В.П. Крайнов «Нелинейные задачи гидродинамики. Учебное пособие» МФТИ Москва 1996 год.
- А.Пуанкаре. Теория вихрей. Ижевск. НИЦ «Регулярная и хаотичная динамика».2000.
- Чижиумов С.Д. Основы гидродинамики (учебное пособие). Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ≪Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет≫. Комсомольск-на-Амуре 2007.
- Г. Фалькович. Современная гидродинамика. Краткий курс. Научно-издательский центр «Регулярная и хаотичная динамика». Ижевск
- А. Эйнштейн. Причины образования извилин в руслах рек и так называемый закон Бэра. Доклад на собрании Прусской Академии 7 января 1926 года.[schema type=»book» name=»ОБРАЗОВАНИЕ ВОДОВОРОТА, СМЕРЧА.» description=»Настоящее работа рассматривает физические процессы при образовании водоворота или смерча и влияние вращения Земного Шара на эти процессы. Для этого вводится понятие — движущийся поток жидкости или газа. Движущийся поток жидкости или газа — это определённый или неопределённый объём жидкости или газа, находящийся над определённой поверхностью Земного Шара и совершающий движение вместе с этой поверхностью, имея при этом направление и скорость перемещения, равную скорости и направлению перемещения этой поверхности, или иное направление и другую скорость перемещения. В результате рассмотрения физических процессов при образовании водоворота или смерча была выведена основная формула: ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ ВОДОВОРОТА ИЛИ СМЕРЧА В МАССЕ ГОРИЗОНТАЛЬНО ДВИЖУЩЕГОСЯ ПОТОКА ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА НЕОБХОДИМО ЛОКАЛЬНОЕ ВЕРТИКАЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ НЕБОЛЬШОЙ ЧАСТИ ЭТОЙ ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА, ПРИЧЕМ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ МЕСТА РАСПОЛОЖЕНИЯ ЭТОГО ОБРАЗОВАНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМНОГО ШАРА ОН БУДЕТ ИМЕТЬ ВРАЩЕНИЕ ПРОТИВ ИЛИ ПО ЧАСОВОЙ СТРЕЛКИ. Настоящая работа имеет большое практическое применение, в том числе: — исследование параметров искусственно созданных водоворотов и смерчей с целью разработки новых типов гидроэлектростанций и передвижных пневмоэлектростанций; — создание методов управления (гашения) природных смерчей.» author=»Овсяник Михаил Васильевич» publisher=»Басаранович Екатерина» pubdate=»2016-12-12″ edition=»euroasia-science_28_28.07.2016″ ebook=»yes» ]