Kvant. Смерч у вас дома
Бетяев С. Смерч у вас дома //Квант. — 2003. — № 4. — С. 42-43.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Содержание
Смерч — это мощный короткоживущий атмосферный вихрь, возникающий обычно в грозовом облаке и стремительно движущийся к земле. Будучи одним из главных носителей хаоса в движении воздушных масс, он многолик в проявлении и потому имеет много различных названий: торнадо (так называют смерч в Северной Америке), циклон (по-гречески это кольцо змеи), ураган (от французского ouragan — сильный ветер), тайфун (от китайского тай фын — большой ветер), тромб (от греческого trombos — сгусток).
Искусственные смерчи
Микросмерч легко наблюдать, например, в только что открытой бутылке минеральной воды, если поставить ее 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, причем выделение пузырьков происходит наиболее интенсивно 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 выталкивающей силы, 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 твердых и жидких частиц. 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°, еще более закрученным устремляется по оси вверх к выхлопному патрубку 2. Вредные примеси, прижатые по инерции к стенкам установки, ссыпаются вниз через отверстие 3.
Смерч нетрудно смоделировать в лаборатории, причем вращение жидкости можно создать либо пропеллером, либо вращением стенок сосуда, а поднятие можно осуществить с помощью насоса или за счет выталкивающей силы. Вот два примера.
1) Если вентилятор, размещенный в горизонтальной плоскости 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. В качестве вентилятора пригодно также колесо с наклоненными вертикальными перегородками. В зависимости от мощности вентилятора высота водяного 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 ее каким- либо образом, например миксером. Небольшой нагрев в центре дна банки инициирует вертикальный вихрь, который с помощью краски легко сделать видимым. Вблизи дна (точка А на рисунке 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 удается наблюдать туманный вихрь. Дома его можно воспроизвести, пустив струю холодного воздуха над поверхностью теплой воды, наполняющей ванну. Такие же вихорьки возникают на поверхности вынесенного на мороз горячего чая — они образуются вследствие неустойчивости влажного теплого воздуха, расположенного над холодным.
Слив воды в ванне
Конечно же, все 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 прежде всего от параметра δ, равного отношению высоты воды в ванне h к радиусу сливного отверстия r (рис. 3). Если значение б достаточно велико, то на свободной поверхности образуется небольшая впадина (см. рис. 3,а). При уменьшении δ до некоторого критического значения δ* полость вихря достигает дна впадины (см. рис. 3,б), а затем проникает в вытекающую струю, образуя как бы полый вихрь (см. рис. 3,в). На последнем рисунке слева приведено распределение горизонтальной скорости и по высоте слоя воды: максимум скорости расположен в центре струи, ноль - на дне ванны, где жидкость как бы прилипает к твердой границе.
Кроме параметра δ, на течение жидкости, конечно же, влияет и ее вязкость, но 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? Влияет ли, например, на направление вращения вихря сила Кориолиса, вызванная вращением Земли? Разумеется, влияет: в еще незакрученном течении на движущуюся с юга на север струйку тока действует кориолисова сила, стремящаяся закрутить водоворот в северном полушарии против часовой стрелки, а в южном полушарии — по часовой стрелке. Теоретически эти рассуждения правильны. Однако реальное влияние вращения Земли на направление вращения 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 еще недостаточно изучено. Искусственно в одной и той же ванне можно вызвать вихрь как одного, так и другого направления.
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 u на свободной границе не равна нулю, поэтому 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 внесенной в воронку горящей спички.
В природе вихревые воронки часто 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 твердых плавающих тел легко провести в ванне, используя для этих целей частицы различной массы (проделайте это самостоятельно). В результате таких опытов было обнаружено, что твердые плавающие частицы могут довольно устойчиво вращаться вокруг воронки, каждая по своему индивидуальному радиусу, не всплывая и не погружаясь.
Принципиально новое явление наблюдается в контейнере с водой, содержащим два симметрично расположенных сливных отверстия (рис. 4). В этом случае характеристики течения зависят еще от одного безразмерного параметра \(~\alpha = \frac lr\), где l - расстояние между отверстиями А и Б (см. рис. 4,а). При достаточно больших значениях а образуются два вихря (см. рис. 4,б; вид сверху). Направления вращения вихрей противоположны — в плоскости симметрии CD вихри «сцепляются» друг с другом. При умеренных значениях а режимы попеременно чередуются: безвихревое истечение в окрестности отверстия Б сменяется вихревым, в то время как вихревое истечение в окрестности отверстия А становится безвихревым, причем процесс оказывается почти периодическим по времени. Схема такого истечения в некоторый момент времени представлена на рисунке 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, познанного и непознанного, видимого и невидимого. Простые опыты по истечению жидкости подтверждают фундаментальный закон гидродинамики, в соответствии с которым течение перестраивается от простого стационарного к более сложному, а затем к нестационарному и даже к неупорядоченному.
