Примеры вихревых движений

Вихревое движение интересно наблюдать на вихревых кольцах. Чаще всего они демонстрируются с помощью ящика, в передней стенке которого имеется отверстие, а задняя стенка достаточно гибкая. Наполняя ящик дымом и ударяя рукой по задней стенке, можно наблюдать, как из отверстия вслед за ударом вылетают вихревые кольца, которые благодаря частичкам дыма хорошо видны. Такие кольца обладают любопытными свойствами. Они могут отталкиваться друг от друга, притягиваться, отражаться от твердой стенки, попеременно обгонять друг друга и т.д. Эти свойства объясняются движением, которое такие кольца стимулируют в окружающем воздухе. Линии тока такого движения в некоторый момент времени примерно можно изобразить в виде концентрических окружностей (рис. 7.12), хотя эксперименты показывают, что линии тока представляют собой спиралевидные линии. Ясно, что, если встречаются два кольца,

Рис 7.12

у которых внутренние потоки направлены навстречу друг другу (например, из разных ящиков), то такие кольца должны отталкиваться. Если же при одинаковом направлении движения быстрее движущееся кольцо догоняет впереди идущее, то оно будет втянуто в первое, пройдет внутри него и даже ускорится его внутренним потоком. В свою очередь предыдущее кольцо по- лучит от последующего некоторую «за-

крутку»(индуцирует дополнительную втягивающую силу), которая заставит его двигаться быстрее. Впоследствии оно может догнать обогнавшее кольцо, и кольца поменяются ролями. Это явление называют «чехардой» колец. После прохождения достаточного промежутка времени вихри затухают вследствие вязкости любой реальной среды. Энергия вихревого движения, в конечном счёте, переходит в тепло.

Зеркальное отражение колец от твердой стенки также можно понять, рассматривая взаимодействие внутреннего движения воздуха в кольце с твердой поверхностью. В начале прошлого столетия английский учёный Томсон пытался построить модель электрона в виде вихревого кольца некоторой субстанции. Действительно, такая модель обладает некоторыми свойствами заряженных частиц (притяжение разноименных зарядов и отталкивание одноименных).

В природе вихревые движения чаще всего наблюдаются в виде смерчей. Смерч возникает вдали от поверхности земли в результате интенсивных встречных вертикальных движений воздуха. Нисходящие потоки воздуха образуются под грозовыми тучами вследствие охлаждения его дождём или градом. Если такая туча надвигается на сильно прогретую местность с интенсивными восходящими потоками нагретого воздуха, то возникает взаимодействие этих резко разграниченных потоков. В результате на фронте тучи возникает вихревая трубка (рис. 7.13), концы которой в полном соответствии с теоремой Гельмгольца должны затем опуститься на землю. На земле эти вихри наносят большие разрушения в силу локализации воздействия: разрушаются постройки, валится лес, полегают посевы и т.д.

Рис. 7.13

Нетрудно видеть (рис. 7.13), что если смотреть сверху, то в левой ветви смерча на земле воздух будет вращаться, например, по часовой стрелке, тогда как в правой ветви - против часовой стрелки. Расстояние между концами вихревой трубки на земле иногда достигает десятков и сотен километров. Поэтому наблюдателю виден чаще всего лишь один его конец, который кажется «сошедшим» с неба. Однако, как следует из теоремы Гельмгольца, на земле на некотором расстоянии обязательно существует и второй его конец. Так, если в каком-то месте обнаруживается поваленный по часовой стрелке лес, то обязательно (в лесистых районах) существует место, где лес повален против часовой стрелки.

Ясно, что при вихревом движении внутри вихря в результате действия центробежных сил образуется область пониженного давления, в которую по поверхности воды или земли может интенсивно всасываться воздух и перемещаться дальше по оси вихря. Поэтому мелкие, легкие предметы, захваченные этим потоком (листья, белье, щепки и т.д.) могут быть перенесены по оси вихря, как по трубе, на значительные расстояния, и для местного наблюдателя кажутся «упавшими с неба». История знает немало таких чудес, когда «с неба» падали лягушки, рыбы и даже монеты.

Естественно, что вихревое движение в смерчах с течением времени должно затухать и исчезать вследствие диссипации энергии, т.к. реальная жидкость всегда обладает определенной вязкостью. Таким образом, вихревое движение в природе возникает из-за не потенциальных вязких сил и исчезает из-за диссипации механической энергии движения вихря вследствие вязкости реальных сред. Однако модель идеальной жидкости позволила нам изучить основные законы вихревого движения и понять роль вязкости в вихревом движении реальных сред.

Дата добавления: 2015-08-03