Эфиродинамические подходы к разрешению энергетического
кризиса 195
рования вихря целесообразно пускать вихрь вдоль стенки, на которой начерчены полосы. Вихрь движется вдоль стенки, и видно, что его движение состоит из трех этапов.
1 этап - после вылета из отверстия тороидальный вихрь уменьшает свои размеры, этот процесс основной. В процессе сжатия вихря его энергетика повышается.
2 этап - вихрь увеличивает свои размеры и замедляет скорость, а энергия, накопленная тороидальным вихрем, тратится.
3 этап - вихрь останавливается и разрушается (диффундирует). Здесь ослабленный пограничный слой уже не в состоянии противостоять центробежным силам и происходит диффузия вихря.
Таким образом, этот эксперимент, который может провести любой школьник, подтверждает, что на начальном этапе газовые вихри сжимаются окружающей атмосферой и, следовательно, накапливают энергию: давление атмосферы преобразуется в кинетическую энергию вихря. Предположение подтвердилось.
Как известно, на земном шаре время от времени появляются смерчи и тайфуны, представляющие собой воздушные вихри, разрушающие все на своем пути - леса, города и села, осушая болота и поднимая в небо коров и лягушек. Часто возникают циклоны - зоны пониженного давления, тоже представляющие собой воздушные вихри. Циклоны перемещаются по поверхности Земли, неся с собой ураганы, дожди и метели. Обращает на себя внимание тот факт, что и циклоны, и особенно, смерчи и тайфуны обладают большой силой и, следовательно, несут в себе много энергии. Возникает вопрос, откуда они ее взяли?
Установлено несколько обстоятельств, связанных с природными воздушными вихрями. Все они имеют уплотненные стенки и пониженное давление в центре, в циклонах - на 10-20%. Скорость перемещения воздушных масс в вихрях составляет заметную долю от скорости звука - до половины его значения, т.е. порядка 150 и даже 200 метров в секунду, правда, это только в смерчах и тайфунах. Но и в циклонах скорости ветра могут со¬
196
Глава 5.
ставлять 20 - 30 м/с, а это уже ураган. Сами же циклоны перемещаются по поверхности земли со скоростью 50-60, иногда до 100 км/час. Это значит, что скорость их перемещения соизмерима со скоростью движения воздуха в самом циклоне. И потоки воздуха во всех этих образованиях - смерчах, тайфунах и циклонах движутся по винтовой траектории.
I I I I
|
1 \| 1 1 1 1 1 р '/' 1 !\ | I \ |
\у\ —Т 1 1 1 1 1 i> 1 !\! 1 V..8. ! I I |
|
1 1 о 1 1 |
1 1 г 1 1 |
|
! !* |
1 1 /Г* 1 |
|
1 1 |
/|\ 1 |
|
1 1 |
1 1 ' 1 |
|
1 1 |
/ 1 4L . |
|
\ ! /о 1''/ | м' 1 1 I | |
! ! ' 1 1 1 1 1 1 1 | |
|
' ч I /К1 |
1 1 /In 1 |
|
1/ 1V |
✓ 1 \ 1 |
|
1/ 1 ' |
' 1 \1 |
|
1 1 |
1 V |
|
/1 1 |
1 \ |
|
1 1 |
| 1 v г |
|
0 |
г |
Рис. 6.6. Цилиндрический газовый вихрь: поперечное сечение вихря (а); распределение плотности газа (б); эпюра касательных скоростей (в); зависимость угловой скорости вращения газа в вихре от радиуса (г)
Исследования воздушных вихрей показали, что все они имеют трубчатую структуру, в которой стенки вихря уплотнены, центральная часть разрежена, а вращающиеся с большой скоростью стенки отделены от окружающей среды пограничным слоем (рис. 6.6).
