Главная страница
На грани невозможного
Газета издаётся с 1990 года
Online версия

Объятие вихря

(гипотеза)

Домашний опыт

Нальем стакан чая, настоящего, чтобы чаинки плавали, раскрутим ложечкой и будем наблюдать. Чаинки, вопреки действию центробежных сил, не разбегутся к стенкам стакана, а, покрутившись, соберутся сначала в колечко в центре стакана, а затем осядут на дно холмиком. Секрет “фокуса” прост: после раскрутки, молекулы воды под действием центробежных сил действительно устремятся к стенкам стакана, вследствие чего давление у стенок станет максимальным, а в центре - минимальным и поверхность воды примет форму конуса (воронки). Давление в любой точке такой вращающейся среды будет определяться вертикальным расстоянием от этой точки до поверхности воронки. Чаинки, будучи намного крупнее молекул воды, подвергаются гидростатическому давлению со всех сторон, но в нашем случае давление снаружи (от стенок) будет чуть-чуть больше, чем от центра, и этой-то разницей давлений чаинки будут вдавливаться в центр воронки. Если взять посуду покрупней, и раскрутить в ней вместе с водой несколько щепотей песка, можно наблюдать, как песчинки сползаются к центру, преодолевая трение о дно.

Следующий пример - из области фигурного катания.

Известно умение фигуристок вдруг с бешеной скоростью закручиваться вокруг своей оси. Секрет этого “фокуса” также прост. При первом обороте фигуристка разводит руки в стороны, сообщая при этом своим кулачкам максимальное количество движения. В процессе последующего вращения кулачки прижимаются к телу и, стремясь сохранить свою линейную скорость при уменьшении радиуса вращения, в несколько раз увеличивают угловую скорость всего тела. Так маленькие кулачки своей кинетической энергией и раскручивают фигуристку.

В нашем опыте со стаканом чая чаинки, раскрученные ложкой, как и сахар и все прочие примеси, что крупнее молекул воды, вдавливаясь внутрь воронки передают центральной части ее свою кинетическую энергию, отчего чаинки в середине стакана начинают крутиться гораздо быстрее ложки, которой мы размешивали чай.

Аналогичные воронки образуются и в “большой воде” - в реках, морях и океанах, только роль ложечки здесь выполняют разнонаправленные течения, а роль чаинок - скопления водорослей, планктона, всевозможной мути и прочего сора. Стенки, как у стакана, оказывается, совершенно и не нужны.

Летняя гроза

Летняя гроза - удивительнейшее явление. В сухую жаркую безветренную погоду, посреди чистого неба, когда даже при 100% относительной влажности в 1 м 3воздуха может содержаться не более 20г воды, вдруг собираются в одну тучу тонны воды, которые вскоре буквально обрушиваются на землю. За счет чего в ограниченном пространстве влажность увеличивается на порядки, и чем удерживается такая масса некоторое время в воздухе?

Представим, что встречные медленные потоки теплого воздуха (а чем теплее воздух, тем больше он может растворить в себе воды) начинают закручиваться в атмосферную воронку. Растворенные в воздухе молекулы воды, будучи крупнее молекул, составляющих воздух, начнут стекаться к центру воронки и конденсироваться в туман. Мелкие капельки тумана с еще большей силой будут вдавливаться в центральную часть воронки, и передавать ей свою кинетическую энергию. Увеличение угловой скорости ветра в центральной части создаст еще больший перепад давлений от центра к краям, ускорит движение капель воды к центру, и процесс примет лавинообразный характер, при этом из захваченного вихрем пространства будет выжата в центр практически вся вода, пыль и прочий сор.

Морозный воздух не способен растворить в себе много воды, поэтому зимние грозы – большая редкость.

Важно отметить, что в формировании вихря принимают участие 2 основные компоненты: собственно чистая среда и захваченные ею более крупные конкреции, которые для краткости будем называть словом “сор”.

Среда при вращении “раздвигается” в стороны, “сор” вдавливается в середину, одновременно происходит перераспределение энергии внутри вихря: чем больше масса “сора” и его начальная кинетическая энергия, тем “круче” получается вихрь, от ленивых циклонов средней полосы до тропических ураганов и смерчей.

Смерч

До сих пор мы рассматривали вихрь лишь в плоскости, в горизонтальном сечении. В действительности вихрь развивается в 3-мерном пространстве и должен иметь центральную точку, где давление минимально, а скорости в плоскости, проходящей через этот центр, максимальны. Благодаря силам трения среда над и под этой центральной плоскостью тоже начнет вовлекаться во вращение так, что в каждом горизонтальном срезе вихря (если ось вращения считать вертикальной) скорости будут уменьшаться, а давление увеличиваться с удалением от “центральной плоскости”.

Горизонтальная составляющая движения каждой “соринки“, попавшей в вихрь, будет определяться соотношением центробежной силы и силы избыточного внешнего давления, которые всегда направлены навстречу друг другу. В вертикальной составляющей движения вдавливанию “сора” в центральную плоскость из нижнего полупространства будет препятствовать сила тяжести, и та же сила тяжести будет помогать вдавливать “сор” в центральную плоскость из верхнего полупространства. “Хобот” смерча возникает, когда все разнонаправленные воздушные потоки под вихрем окажутся упорядоченными, закрученными в единую вихревую систему, ось которой дойдет до поверхности земли. Вдоль этой оси образуется зона резко пониженного давления, минимум которого приходится на центральную точку вихря. В эту зону, как в трубу, будет всасываться с поверхности земли все от пыли и воды из водоемов до мелких зданий. Еще яркий пример такого процесса – вертикальные столбы пыли, переносимые маленькими буранчиками по степям и пустыням.

Симметрично всасывающей “трубе”, опускающейся из центра вихря вниз, должна возникать и “труба”, направленная вверх. Доказательство тому - еще одна “загадка природы” - град.

Град

Действительно, откуда во время особо сильной грозы берутся целые тонны льда, нередко покрывающие гектары земли слоем до нескольких сантиметров?

Известно, что на высоте полета современных самолетов температура за бортом составляет -40о С и ниже, хотя на аэродроме, откуда мы взлетели, могли быть и все +40о С. Несмотря на такой перепад температур никакие ветры и ураганы, перемешивающие воздушные слои, никогда еще не приводили к тому, чтобы летом на поверхности земли температура опускалась до -40о С. Причина этого проста - разреженный холодный воздух, опускаясь вниз, сжимается атмосферным давлением и от сжатия нагревается. При перемещении воздуха снизу вверх он, от разрежения, соответственно, охлаждается.

В нашем примере холодный воздух из верхних слоев засасывается верхним “хоботом” в область резко пониженного давления, то есть без сжатия, и еще более охлаждается от разрежения. Достигнув по “трубе“ центра вихря чистый холодный воздух под действием центробежных сил начнет разлетаться в стороны навстречу каплям воды, движущимся к центру. Возникший, таким образом, естественный теплообменник и производит за считанные минуты все эти тонны льда.

Все рассмотренные нами вихри живут недолго и “кончают плохо”. Внутреннее трение в среде - о стенки стакана, о поверхность земли, встреча с другими воздушными потоками и т.д. быстро съедают начальную энергию вихря. Чаинки опускаются на дно, легкий мусор всплывает на поверхность воды, ливень, град и все захваченные вихрем предметы падают на землю.

А если создать вихрю идеальные условия и раскрутить его в трехмерной бесконечной среде в условиях невесомости? Куда опустится или поднимется собранный вихрем “сор”, если у такой среды нет ни верха, ни низа?

Оглавление | Читать дальше..


Шмелев Юрий Александрович
Горный инженер-геофизик
e-mail: shmelevya@mail.ru


Главная | О газете | Справка | Клуб | Архив | Книги | Ссылки | Жезлы Гора