Вихревые образования

Вихревые образования встречаются в окружающей жизни часто: например, завихрения снега или песка во время непогоды, кружащиеся клубы поднятой с земли пыли перед грозой, воронка, образующаяся при спускании воды из наполненной ванны, вихрь, который образуется при движении ложки по кругу в чашке с чаем, колечки дыма, выпускаемые опытным курильщиком. Вихревые образования - это сложные структуры, особенно, такие как смерч или торнадо. Смерч и торнадо - одни из самых грандиозных и загадочных явлений природы. Их энергия настолько велика, что почти ни кто и ни что не может выдержать схватку с ними. Научившись управлять вихревыми образованиями, мы сможем обуздать такие природные явления, как ураганы, циклоны, торнадо, смерчи.

Существует много видов вихревых образований, но у нас возник интерес к кольцевым вихрям в связи с тем, что мы прочитали в библиотечке «Квант» (выпуск 4) «Опыты в домашней лаборатории» две статьи:

1. Р. Вуд «Вихревые кольца»;

2. С. Шабанов, В. Шубин «О вихревых кольцах».

Нам проблема вихревых колец показалось интересной, и мы решили исследовать свойства вихревых колец в жидких и газообразных средах.

Главной особенностью выбранной темы является доступность оборудования и исследуемых материалов.

Цель работы: изучение и исследование физических свойств частного случая вихревых образований – вихревых колец и рассмотрение их практического применения.

Методы исследования: наблюдения, теоретические и экспериментальные исследования.

Задачи: ◊ изучить литературу по данной теме.

◊ исследовать физические свойства вихревых колец в жидких и газообразных средах.

◊ рассмотреть практическое применение подобных исследований.

Актуальность и практическая значимость:

1. Интерес к экспериментальной физике и мечта посвятить ей свою будущую деятельность.

2. Создание дидактического компьютерного материала к урокам физики (компьютерные слайды, видеофрагменты, таблицы и др. ).

3. Уроки физики отличаются постоянным дефицитом времени и сложностью оборудования. Поэтому мультимедиа актуальны, прежде всего, из-за возможности наблюдения таких физических процессов и явлений, которые либо невозможно провести в классе, либо невозможно наблюдать и трудно представить, понять. Новизной работы является то, что вихревые образования и, их частный случай, вихревые кольца, не изучаются в курсе физики средней школы и изучение и исследование физических свойств вихревых колец расширяет кругозор, помогает совершенствовать исследовательские навыки.

Теоретические исследования.

Под вихревыми образованиями понимается любая циркуляция потока в вихреобразовании. Наблюдения за смерчами показали, что иногда они отрываются от материнского облака и, как следствие, очень быстро заканчивают своё существование. В месте отрыва старого смерча очень быстро появляется новый. Оторвавшиеся от источника энергии смерчи можно считать полным вихрем природного происхождения т. к. они уже не получают энергии и их самостоятельное вращение кратковременно. Такой вихрь представляет собой веретеноподобное вращение среды – вихревое веретено (рис. 1). Область низкого давления, возникшая в центре веретена, закрыта вращающимися вершинами веретена. Это обеспечивает стабильность вихревого образования. Такое веретено может длительное время существовать, используя только свою внутреннюю энергию вращения. Постепенно веретено вихря уменьшается в размерах т. к. теряет энергию, становится тоньше и исчезает. Таким образом основным видом вихря следует считать вот такое вихревое веретено. Смерч или торнадо оказывается весь состоящим из таких вот вихревых веретен, или как их называют специалисты – вихревых нитей, пронизывающих весь его объем. Такие вихревые нити образуют общий центр вращения, который мы видим, как тело смерча или торнадо.

Кольцевой вихрь – это вихревое веретено, замкнутое в кольцо по оси вращения - тороид (рис. 2, синяя линия – ось вихря). Вокруг оси вихря закручивается вихрь. В результате закручивания потока вокруг оси вращения и, как следствие этого действия центробежных сил, действующих на частицы потока, в средней части тороида возникает сильное разряжение.

Направление вращения вихря зависит от условий его образования (показано на рис. 2 красными стрелками). Центральный поток почти весь уходит в вихрь, а вот отброс воздуха по периферии вполне ощутим при движении вихря в сторону центрального потока. И поэтому, кольцевой вихрь может стоять на месте, а если двигается, то в сторону центрального потока. Принудительное движение в обратную сторону тормозит вихрь, и усиливает отброс воздуха на периферии, что останавливает движение вихря в этом направлении.

За счёт чего вихрь сохраняет стабильность? За счёт низкого давления на оси вращения, по средней линии. Чем выше скорость вращения вихря, тем сильнее разряжение. Оно не даёт частицам вихря разбежаться. С другой стороны, чем больше разряжение, тем более высокую скорость развивает поток, и тем больше центробежные силы будут сохранять равновесие системы. Чем дальше от центральной линии, тем меньше разность давлений, тем меньше скорость потока. Вязкость среды (внутреннее трение) тормозит поток, скорость вращения постепенно падает, разность давлений уменьшается, и вихрь начинает терять массу. Наибольшие потери массы вихрь испытывает на внешней среде т. к. там сильнее торможение. Вихрь увеличивается в размерах по средней линии. Когда разность давлений становится незначительной, вихрь распадается на отдельные потоки.

Разнообразие вихревых образований.

Разнообразие вихревых образований зависит от способов их формирования.

Название вихревого образования Способ формирования

Вихревое веретено Образуется в однородной среде вследствие резкой разницы скоростей соседних областей в общем потоке. Например, при встрече с преградой или, наоборот, при выходе потока из ограниченного канала в свободное пространство. Так образуется постоянный вихрь за крылом самолета или за лопастью винта.

Кольцевой вихрь Если преграда на пути потока имеет замкнутый характер и поток имеет импульсный характер, то, импульсный поток от удара, проходя через него, закручивается на границе преграды в кольцевой вихрь.

Определённое сходство условий образования вихря во всех случаях очевидно. Таким образом, вихревое веретено и кольцевой вихрь являются взаимосвязанными процессами и составляющими одного вихревого явления.

Вихревые образования можно использовать в качестве опоры для полета. Кольцевой вихрь, это высокоэнергетичная масса в относительно неподвижной среде, созданная из той же среды. Ее можно быстро создать, оттолкнуться от нее и так же быстро уничтожить. Существует масса схем движителей на основе использования вихревых колец, но, к сожалению, основная масса разработок имеет неточности понимания сути и, как следствие, в принципе неработоспособны.

С помощью генератора вихрей можно создать цепочку вихрей – вихревой канал, для заброса промышленных отходов в виде взвеси на большую высоту, или для движения в нем, например, водяной струи.

В настоящее время в различных областях в качестве рабочего органа используют воз- душные потоки, имеющие ряд недостатков: недостаточная сила, недостаточная зона распространения потока, и т. д. Наряду с этим существует эффект вихревых колец - закрученного потока газа, который может распространяться на достаточно далекие расстояния. Можно использовать этот эффект для эвакуации людей при пожаре с высотных зданий, для тушения пожаров на нефтяных вышках, для удаления сосулек, для вывода выхлопных газов автомобиля в верхние слои атмосферы, для вентиляции в салоне автомобиля и т. д.

Аналогичные вихревые явления возможны и в земной коре. Роль мембраны могут выполнять участки расслоения земной коры и мантии или зоны пологих тектонических нарушений (например, надвиги), а роль диафрагмы - зоны и узлы пересечения разломов разной мощности. Результаты процесса продвижения энергетических вихревых колец могут быть зафиксированы в виде различий свойств пород, подвергшихся данному воздействию, а также различной степени трещиноватости и микротрещиноватости этих пород, характеризующихся участками сжатия и растяжения, имеющие соответствующую кольцевую и дуговую форму. Анализ размещения эпицентров землетрясений Приамурья, Камчатки и других регионов во многих случаях указывает на наличие кольцевых и дуговых сейсмоактивных зон разных радиусов кривизны с разной глубиной заложения (Николаев и др. , 1989; Тащи, Ермошин, 1997; Мясников, 1997). Кроме того, на не которых месторождениях Приамурья обнаружены жильные тела кольцевой формы, которые возможно образовались вследствие воздействия ударных волн наряду с тектоническим дроблением и разрушением пород.

Таким образом, для практического использования кольцевых вихрей, для объяснения явлений природы нужно посредством эксперимента и наблюдений постараться понять ведущие факторы, которые управляют вихревым процессом.

Экспериментальные исследования

Воздушные вихри

Для экспериментальных исследований мы взяли частный случай вихревых образований - вихревые кольца. Для этого мы изготовили две установки.

Первая установка была изготовлена из пластиковой бутылки объёмом 2 литра, в которую вставили бумажную трубку диаметром 2 см. С помощью неё мы получили красивые и симметричные кольца, выпуская дым из трубки. Дым получали, положив тлеющую бумагу в бутылку.

Вторая установка - аппарат Тэта. Он представляет собой цилиндрический сосуд диаметром 6 см. и длинной 34см. Его задняя стенка (мембрана) затянута резиновой плёнкой от воздушного шарика, а передняя (диафрагма) – стенка с круглым отверстием, диаметр которого можно менять с помощью насадок. Внутри цилиндра находятся два сосуда: один с соляной кислотой(HCl) , другой - с нашатырным спиртом(NH4OH). В результате взаимодействия этих веществ в цилиндре образуется густой туман из частичек хлористого аммония (NH4Cl). С помощью такого аппарата мы получали малые воздушные вихри.

Образование вихревых колец

1. Наблюдение колец

Ударяя по упругой стенке аппарата Тэта, мы сообщаем некоторую скорость прилегающему к мембране слою дыма. Придя в движение, этот слой вызывает уплотнение соседнего слоя, тот – следующего и так далее. Когда уплотнение доходит до диафрагмы, дым вылетает из отверстия, приводит в движение ранее покоившийся воздух комнаты и благодаря силам вязкого трения сам сворачивается в кольцевой вихрь и продолжает движение уже относительно медленно в виде быстро вращающегося колечка. Кольцо вращается быстро, а движется – медленно. По мере движения вихрь становится медленнее и шире, а потом и вовсе исчезает, превращаясь в беспорядочное движение воздуха. Но пока он обладает энергией вращения, он вполне осязаем и устойчив.

Кольцо состоит из слоя дыма и слоя воздуха, образующих спираль из нескольких, законченных витков. Если смотреть на кольцо сбоку, то у кольца при движении образуется хвост (похожий на хвост кометы) из-за трения внешних участков кольца об атмосферу.

2. Особенности образования вихревых колец

Гипотеза№1: в образовании колец главную роль играет трение между вытекающими воздушными струями и краем отверстия.

Для того чтобы проверить эту точку зрения, покроем конец бумажной трубки куском туго натянутой марли и выдуем дымовое кольцо через неё. Если наша гипотеза верна, то должно получиться много маленьких дымовых колец. Однако, от поверхности, похожей на сито, отделяется красивое вихревое кольцо.

Вывод: большей частью образование вихрей обуславливает трение с атмосферным воздухом, так как трение с отверстием компенсируется уравниванием его по всему поперечному сечению выходящей струи.

Гипотеза №2: вихревые кольца образуются при выходе дыма из аппарата отдельными порциями.

Для экспериментальной проверки данной гипотезы заменим мембрану поршнем и будем перемещать его вдоль цилиндра. Из отверстия вместо колец появится непрерывная струя дыма.

Вывод: Очень важно, чтобы дым из аппарата выходил отдельными порциями, а не непрерывной струёй.

3. Движение среды вокруг вихревых образований.

Гипотеза №1: Движущееся кольцо приводит в движение окружающий его воздух, отталкивая его от себя.

Опыт 1. На расстоянии одного метра от установки поставим зажжённую свечку. Пустим дымовое кольцо так, чтобы оно не врезалось в пламя свечи, а прошло рядом. Пламя либо гаснет, либо сильно колышется. Воздушные кольца действуют некоторой силой на препятствия.

Опыт 2. Подвесим две тряпочки, смоченные: одна – соляной кислотой, другая – нашатырным спиртом, на расстоянии 10-15 сантиметров друг от друга. Пространство между ними заполнится парами нашатыря. В облако этого дыма пустим дымовое кольцо из установки. После прохождения кольца через облако дыма, кольцо увеличивается в размерах, а облако приходит в круговое движение.

Вывод: Движется не только видимая часть кольца, но и слои воздуха прилегающие к нему. Вокруг вихревого кольца воздух вращается.

4. Взаимодействие колец.

Гипотеза №1: Если воздух в комнате неподвижен, то слияние двух колец, движущихся рядом, в одно зависит от скорости вращения колец.

Опыт 1. Из двух установок, расположенных параллельно друг к другу, с помощью трубок для коктейля одновременно выпускаем вихревые кольца.

Результаты эксперимента:

Скорость вращения кольца Поведение колец

Большая Отскакивают друг от друга

Медленная Соединяются, форма вихря неустойчива. В начале соединённые кольца скачком меняют горизонтальное положение на вертикальное, а затем медленно приобретают форму кольца.

Вывод: Если кольца имеют большую скорость вращения, то они отскакивают друг от друга. Если кольца вращаются медленно, то они соединяются.

Гипотеза №2: Газовый вихрь обладает упругостью.

Опыт 2. Выпустим два кольца быстрой очередью, причём так, чтобы второе летело с несколько большей скоростью, чем первое и пронаблюдаем взаимодействие колец.

Опыт 3. Последовательно выпустим кольца и на пути их распространения на разных расстояниях от установки будем располагать руку.

Вывод: Газовый вихрь обладает упругостью, так как второе кольцо, догнав первое, ударяется о него и отскакивает; оба кольца остаются целы и превращаются в вибрирующие эллипсы. Рука будет ощущать удар кольца как мягкий толчок.

Рассмотрим взаимодействие кольца с плоскостью.

Опыт 4. С помощью установки направим дымовое кольцо на плоскость, перпендикулярную скорости кольца и на плоскость, наклонённую под некоторым углом к первоначальному положению.

Результаты опыта:

Расположение плоскости Результат взаимодействия кольца с плоскостью Объяснение результата

Перпендикулярно скорости кольца Кольцо расплывается, не теряя своей формы Поток воздуха, движущегося внутри кольца, образует область повышенного давления. Поэтому кольцо равномерно расширяется.

Под некоторым углом к скорости кольца Кольцо отталкивается от плоскости В пространстве между кольцом и плоскостью возникает область повышенного давления.

Вывод: Вихревые кольца взаимодействуют с твёрдыми препятствиями, и результат этого взаимодействия зависит от угла наклона препятствия к скорости движения кольца. Если скорость кольца перпендикулярна плоскости, то кольцо, не теряя своей формы, расширяется. Если скорость кольца направлена под некоторым углом к плоскости препятствия, то вихревое кольцо отталкивается от плоскости.

Жидкие вихри

Образование вихревых колец в воде

1. Наблюдение колец

Оборудование: сосуд с водой, чернила, пипетка.

Каплю чернил капнем с высоты 2 – 3 сантиметра в сосуд с водой, в воде образуется красивое чернильное вихревое кольцо. Через некоторое время кольцо разделится на несколько новых колец, те в свою очередь тоже разделятся и т. д. В сосуде появится красивый замок!

Кольцо состоит из водных нитевидных сгустков образующих спираль из нескольких, законченных витков. Если смотреть на кольцо сбоку, то у кольца при движении образуется хвост (похожий на хвост кометы) из-за трения внешних участков кольца об атмосферу.

2. Особенности образования жидких вихрей.

Мы заметили, что на первичном кольце образуются утолщения, из которых рождаются вторичные кольца, из вторичных колец образуются новые кольца и т. д. Образно поведение водяных колец можно сравнить с цепной реакцией. Объяснение: некоторые участки вихревого кольца несколько опережают остальные, некоторые, наоборот, отстают из-за неоднородности среды, в которой движется кольцо. Чернила, так как они тяжелее воды, стекают в те участки, которые движутся впереди, и за счёт сил поверхностного натяжения формируются утолщения. Из этих утолщений рождаются новые капли. Каждая капля ведёт себя независимо от исходного вихря, и через некоторое время из неё образуется новое вихревое кольцо.

Гипотеза1: В образовании водяных вихрей существует определённая закономерность.

Опыт №1. Капнем каплю чернил с высоты 2 сантиметра в сосуд с водой и подсчитаем число колец в «поколениях».

№ опыта Конечное число колец в «поколении»

2-ое 3-е 4-ое

1 3 8 14

2 5 9 17

3 4 7 21

4 5 10 18

5 3 8 16

6 6 11 24

7 5 9 20

8 4 10 22

9 5 6 28

10 5 8 25

Вывод: Нам не удалось установить никакой закономерности. Конечное число колец в четвёртом «поколении» ни разу не совпало.

3. Движение среды вокруг вихревых образований.

Гипотеза №1: Движущееся кольцо приводит в движение воду.

Опыт1: Медленно вращая воду в сосуде, капнем в неё чернил и дадим устояться. В сосуде образуются чернильные нити. Теперь пустим чернильное кольцо. При прохождении кольца вблизи нитей они закручиваются.

Вывод: Вокруг вихревого кольца вода вращается.

4. Взаимодействие вихревых колец в воде.

Опыт №1: Пустим каплю чернил с высоты 1 сантиметр в сосуд с водой, а затем через секунду пустим ещё одну каплю с высоты 2 сантиметра. В сосуде образуется два вихря, движущиеся с разными скоростями: второй быстрее, чем первый. Когда кольца окажутся на одинаковой высоте, они начнут взаимодействовать друг с другом.

Результаты опыта.

Положение колец относительно друг друга Наблюдаемая картина

Второе кольцо при обгоне задевает первое Более интенсивные потоки второго кольца разрушают первое. Из оставшегося от первого кольца сгустка чернил образуются новые маленькие вихри.

Второе кольцо обгоняет первое, не задевая его Потоки воды от обоих колец как бы отталкивают кольца друг от друга. Чернила перетекают с первого кольца на второе, так как водяные потоки первого кольца более интенсивны. Иногда часть этих чернил проходит через второе кольцо и образуется новое небольшое кольцо.

Кольца испытывают центральное соударение Второе кольцо проходит через первое и уменьшается в размерах, а первое, наоборот, расширяется. Это происходит за счёт взаимного действия водяных потоков одного кольца на другое. В дальнейшем кольца начинают делиться.

1. Природа образования вихревых колец в воде такая же, как и в воздухе. По-видимому, данная аналогия может быть распространена и на твёрдые среды, так как в основе всех этих процессов главную роль играют силы вязкого трения.

2. Опыты показывают, что полная аналогия имеет место лишь в первый момент после образования вихрей. В дальнейшем поведение вихревых образований в воде и в воздухе оказывается различным.

3. Данные исследования можно использовать в качестве дидактического материала на уроках физики, на элективных курсах по физике.

Заключение

В данной работе приведены материалы теоретического и экспериментального исследований вихревых образований в воздушных и газообразных средах.

Вихревые образования – это сложные структуры, которые встречаются в окружающей жизни. Различают два основных вида вихревых образований: веретеноподобные вихри, такие как, смерч , торнадо, циклоны и кольцевые вихри.

В результате эксперементальных наблюдений как в жидких так и в газообразных средах было установлено, что вихревые кольца состоят из пучка спиральных линий (газообразные или водные нитевидные сгустки),отражающих характер распределения энергетических плотностей в самом кольце. В боковой проекции вихревое кольцо имеет «хвост» (похожий на хвост кометы), который образуется за счет вязкого трения внешних участков кольца об среду при движении вперёд. При этом среда вокруг кольца также вращается. Образуются кольцевые вихри в результате взаимодействия ударной волны с какой-либо мембраной. Исследования показали, что кольца образуются лишь при выходе из генератора вихрей отдельными порциями, т. е. в виде пульсаций, а не непрерывной струёй в устоявшуюся ( без конвекционных потоков ) среду.

Нами , на основе эксперементов и наблюдений , было установлено, что природа формирования колец в жидких и газообразных средах одна и таже. По видимому, данная аналогия может быть распространена и на твёрдые среды, т. к. в основе этих процессов главную роль играют силы вязкого трения. Правда, как показали опыты, полная аналогия имеет место лишь в первый момент после их образования. В дальнейшем поведение вихревых колец в жидкой среде и газообразной оказывается несколько различным.

Особенность движения колец в газах заключается преимущественно в движении газообразной среды вокруг самого кольца. В таком относительно неизменном виде вихревое кольцо может продвигаться довольно долго. Однако, если на его пути появляется плоскость, перпендикулярная поступательному движению кольца, то оно как бы расплывается, не теряя при этом кольцевой формы. Объясняется это тем, что поток воздуха, движущегося внутри кольца, образует область повышенного давления, и происходит равномерное расширение всего кольца. Если плоскость наклонена под углом к направлению движения вихревого кольца, то последнее отталкивается от нее за счет аномального повышения давления в пространстве между кольцом и плоскостью.

Эксперименты в жидкой среде показывают, что там происходит процесс самостоятельного деления капли на несколько колец, которые в свою очередь, так же на некоторой глубине делятся на кольца меньшего диаметра и т. д. Это можно объяснить наличием неоднородности среды, например, послойным увеличением плотности воды с глубиной. Каждая капля, из которой впоследствии рождается кольцо, ведёт себя независимо от всех последующих. Опыты в газообразных средах показывают, что кольца, имеющие большую скорость вращения, отскакивают друг от друга, но, если кольца вращаются медленно, они соединяются. В момент соединения форма кольца очень неустойчивая. Взаимодействие ВПК в жидких средах имеет три разновидности. В случае, когда второе кольцо обгоняет первое, не задевая его, происходит следующее:

1)    потоки воды отталкивают кольца друг от друга;

2)    имеет место переток вещества с первого кольца на второе. Если второе кольцо при обгоне задевает первое, то последнее распадается на новые маленькие кольца.

3) второе кольцо при прохождении через первое уменьшается в размерах, а первое, наоборот, расширяется.

Подобные исследования могут помочь объяснить природу некоторых явлений, происходящих в земной коре, помогут использовать вихревые кольца в качестве опоры для полета, создать генератор вихрей для заброса промышленных отходов в виде взвеси на большую высоту, помогут использовать эффект вихревых колец для эвакуации людей при пожаре, для тушения пожаров на нефтяных вышках и т. д.

Экспериментальные исследования, проведённые нами, можно использовать на уроках физики, на элективных курсах по физике.