/ back /

 

Смерч в домашних условиях

 

Смерч – это мощный мезомасштабный короткоживущий вихрь в тропическом кольце атмосферы. Будучи одним из главных носителей хаоса в движении воздушных масс, он многолик в проявлении и поэтому имеет так много названий: торнадо (Северная Америка), тропический циклон (циклон по гречески – это «кольцо змеи»), ураган ( от французского слова ouragan – сильный ветер ), тайфун (от китайского «тай фын» – большой ветер). Смерч над сушей часто называют тромбом (греческое trÓmbos–сгусток). Б. Пастернак явно преувеличил время жизни смерча:

 

                                    Больной следит. Шесть дней подряд

                                    Смерчи беснуются без устали,

                                    По кровле катятся, бодрят,

                                    Бушуют, падают в бесчувствии.

 

Настоящий смерч сметает всё на своём пути.

 

Искусственные смерчи

 

Микросмерч легко наблюдать в только что открытой бутылке минеральной воды, если поставить её в центр вращающегося диска и бросить на дно кусочек сахара или другого кристаллического вещества. Кристаллики способствуют выделению углекислого газа, так как служат ядрами образующихся газовых пузырьков.  Выделение   пузырьков    наиболее    интенсивно   происходит   при пониженном давлении. На оси вращающейся жидкости, как и в смерче, давление  понижено.  Поэтому  пузырьки  возникают преимущественно в центре бутылки. Двигаясь спирально вверх под действием силы плавучести, они увлекают за собой частицы воды. На их место по дну бутылки к центру притекают другие порции «минералки»  – образуется смерч.

Некое подобие смерча реализуется в промышленной установке «циклон», предназначенной для очистки потоков газа от твёрдых  и  жидких  частиц – важной народнохозяйственной задаче, служащей делу сохранения окружающей среды и создания передовых технологий. Содержащий вредные примеси поток, попадая в «циклон» (рис. 1) через входное отверстие 1 по касательной к его стенкам, закручивается, опускается вниз по спиральным траекториям и, повернув на 180˚, ещё более закрученным устремляется по оси вверх к выхлопному патрубку 2. Вредные примеси, прижатые центробежной силой к стенкам «циклона», ссыпаются вниз через отверстие 3.

 

                                                     

Рис. 1. Схема установки «циклон»                 Рис. 2. Искусственный смерч

 

Смерч нетрудно смоделировать в лаборатории, причём вращение жидкости можно создать  либо   пропеллером,  либо вращением стенок сосуда, а поднятие можно осуществить  с помощью насоса или за счёт выталкивающей силы Вот два примера..

1). Если вентилятор, размещённый над резервуаром с водой, привести в движение, то он закрутит расположенный под ним столб воздуха, внутри  которого давление окажется пониженным, в результате чего вода из резервуара поднимется на некоторую высоту и, закрученная окружающим воздухом, создаст подобие водяного смерча (рис. 2). В качестве вентилятора пригодно колесо  с  наклонёнными  вертикальными  перегородками.  В   зависимости     от мощности вентилятора высота «смерча» может изменяться от нескольких сантиметров до нескольких метров. Аналогичным образом воссоздаются  пылевые и песчаные смерчи.

2). Налейте в пол-литровую стеклянную банку воду и раскрутите её каким-либо образом, например, миксером. Небольшой нагрев в центре дна банки инициирует вертикальный вихрь, который легко визуализируется с помощью краски. Вблизи дна (точка А на рис. 2) наблюдается так называемый «взрыв вихря» –  резкий переход от упорядоченного течения к хаотическому.

Существует много удивительных разновидностей     вихрей,   напоминающих смерч. Вблизи извергающихся вулканов, лесных пожаров и больших костров образуются огненные смерчи. Зимой над незамерзающим озером иногда удаётся наблюдать туманный вихрь. Дома его можно воспроизвести, пустив струю холодного воздуха над поверхностью тёплой воды, наполняющей ванну. Такие же вихорьки образуются на поверхности вынесенного на мороз горячего чая. Они образуются вследствие неустойчивости влажного тёплого воздуха, расположенного над холодным.

 

Слив воды в ванне

 

 

Конечно же, все мы видели удивительный короткоживущий вихрь, образующийся при сливе воды в ванне и расположенный вертикально над сливным отверстием.   Простые наблюдения показывают, что форма свободной поверхности – границы жидкости  с воздухом – зависит от параметра σ, равного отношению высоты воды в ванне     h  к  радиусу  сливного   отверстия  r. Не ясно, постепенно ли образуется вихрь с уменьшением σ или внезапно при некотором фиксированном значении этого параметра.  Если   значение   σ достаточно велико, то на свободной поверхности образуется небольшая впадина (рис. 3, а). При некотором критическом  значении  s*  полость вихря достигает дна ванны (рис. 3, б), а затем проникает в вытекающую струю (рис. 3, в). На последнем рисунке слева приведено распределение горизонтальной скорости u по высоте слоя воды: максимум скорости расположен в центре струи, ноль – на дне ванны, где жидкость «прилипает» к твёрдой границе.                                                                                                                                                                                                                                                                                                       

 

 

Рис. 3. Три схемы истечения жидкости из отверстия: а) σ ≥ σ*, б)  σ= σ*, в) σ ≤ σ*

 

Кроме параметра s, на течение жидкости влияет её вязкость, точнее говоря, безразмерный параметр b =   где g – ускорение свободного падения, n – коэффициент кинематической вязкости. Это влияние существенно лишь при малых значениях радиуса r, когда он составляет доли миллиметра. Однако в этом случае полый вихрь не образуется.

В какую сторону вращается полый вихрь? Это зависит от тех условий, которые сопутствовали его возникновению. Влияет ли на направление вращения вихря сила Кориолиса, вызванная вращением земли? Разумеется, влияет: в ещё незакрученном течении на движущуюся в сток с севера на юг, как и на движущуюся с юга на север струйку тока действует кориолисова сила, стремящаяся закрутить водоворот в северном полушарии против хода часовой стрелки, а в южном полушарии – по часовой стрелке. Теоретически эти рассуждения правильны. Однако реальное влияние вращения земли на знак вихря в ванне, как и на движение всех смерчевидных вихрей, оказывается пренебрежимо малым. Первопричиной «выбора» того или иного направления вращения является асимметрия в конструкции и установке ванны и в отводящих воду устройствах, – и это влияние ещё совсем не изучено. Искусственно в одной и той же ванне можно организовать вихрь как одного, так и другого знака.

Заметим, что воздух внутри водяной воронки тоже приводится во вращение благодаря тому, что на свободной границе частицы воды увлекают за собой соседние частицы воздуха. Скорость  на свободной границе не равна нулю, поэтом вихрь  в  ванне является  воздушно–водяным.  Правда,  из-за  того,   что плотность воздуха почти в тысячу раз меньше плотности воды, его движение незаметно – оно может, разве что, сдуть пламя внесённой в воронку горящей спички.

Вихревые воронки наблюдаются  в реках. На практике они применяются в суспензионном литье для ввода добавок в жидкий металл, а также в нефтехимической промышленности для удаления плавающих гранул со свободной поверхности. Опыты по поглощению воронкой твёрдых плавающих тел легко провести в ванне, используя для этих целей частицы различной массы.   В результате таких опытов было обнаружено, что твёрдые плавающие частицы могут довольно устойчиво вращаться  вокруг воронки, каждая по своему индивидуальному радиусу, не всплывая и не погружаясь.

 

 

Рис. 4. Истечение из сосуда с двумя отверстиями: а) один вихрь (вид сбоку), б) два вихря (вид сверху), в) один вихрь (вид сверху)

 

Принципиально новое явление наблюдаются в контейнере с водой, содержащим два симметрично расположенных сливных отверстия А и Б (рис. 4, а). В этом случае характеристики течения зависят ещё от одного безразмерного параметра a=ℓ /r, где   ℓ – расстояние  между отверстиями. При достаточно больших значениях α образуется два вихря. Вид сверху показан на рис. 4, б. Циркуляция вихрей противоположна – в плоскости симметрии СД вихри  «сцепляются» друг с другом. При умеренных значения α режимы попеременно чередуются: безвихревое истечение в окрестности отверстия Б сменяется вихревым, в то время как вихревое истечение в окрестности отверстия А становится безвихревым. Процесс оказывается почти периодическим по времени. Схема такого истечения в некоторый момент времени представлена на рис. 4, в (вид сверху).

Что будет, если взять контейнер с тремя отверстиями? С четырьмя? Детали не известны, но ясно одно – разнообразие режимов увеличится, роль случайного начала усилится. Взаимодействие вихревого и вращательного движений демонстрирует структурную сложность течений, неразделимость закономерного и непредсказуемого, познаваемого и непознаваемого, видимого и невидимого. Простые опыты по истечению жидкости подтверждают фундаментальный закон гидродинамики, в соответствии с которым течение перестраивается от простого стационарного к сложному, а затем – к нестационарному и даже к неупорядоченному.

 

 

/ back /