Вихревые кольца (Р. Вуд)

(Статья опубликована в журнале "Nature" в 1901 г Переведена с английского Л. А. Савиной.)

В опыты, подготовленные для лекции по вихревым кольцам, я ввел интересные изменения.

Обычный ящик для демонстрации вихрей хорошо известен и не требует подробного описания. Наше устройство значительно больше тех, что обычно используются. Это кубический деревянный ящик со стороной около метра; одна из стенок сделана из тонкой клеенки, свободно подвешенной, с двумя диагоналями из резиновых трубок, крепко привязанных по углам. Резиновые трубки нужны для того, чтобы обеспечить возвращение клеенки в первоначальное положение.

Такой ящик выбрасывает воздушные вихри большой силы, причем удар кольца о стену лекционного зала отчетливо слышен и похож на звук от легкого удара полотенцем. Аудитория может получить представление о "твердости" вращающегося воздушного вихря, если последовательно выпускать невидимые кольца в зал. Удар кольца в лицо человека ощущается как мягкий толчок пуховой подушкой.

Для того чтобы сделать кольца видимыми, нужно наполнить ящик смесью аммиака и хлористого водорода при помощи резиновых трубок, подсоединенных к двум колбам, в которых кипят NH₄OH и HCl. Этот способ дает хорошие результаты. Рис. 8 сделан с фотографии больших колец, полученных таким способом. Вид сбоку представляет особый интерес: он показывает хвост (похожий на хвост кометы), который образуется из-за трения внешних участков кольца об атмосферу при движении вперед.

Рис. 8

Силу воздушных колец можно показать таким образом. Направим их на плоский картонный ящик, стоящий на некотором расстоянии от установки. При этом ящик сразу же переворачивается или даже падает на пол. Ударом вихревого кольца можно погасить пламя газовой горелки; После некоторой тренировки можно научиться выпускать два кольца быстрой очередью, причем так, чтобы второе летело с несколько большей скоростью, чем первое. Тогда второе кольцо нагоняет первое, ударяется о него и отскакивает; оба кольца остаются целы и превращаются в вибрирующие эллипсы. Это показывает, что газовый вихрь обладает упругостью.

Хотя большие вихри, полученные с помощью описанной установки, лучше всего подходят для демонстрации на лекции, я считаю, что гораздо более красивые и симметричные кольца можно получить, выпуская дым из бумажной или стеклянной трубки диаметром 12,5 см^*. Если смотреть сбоку на выдуваемые кольца в неподвижном воздухе около лампы или при солнечном свете, то видны очень красивые спиральные линии тока. Мне удалось сфотографировать одно из колец следующим образом. Моментальный затвор был установлен на двери темной комнаты, а дуговая лампа фокусировалась на его щель с помощью большого вогнутого зеркала. Фотопластинка устанавливалась в темной комнате так, чтобы ее освещал расходящийся пучок лучей, идущий от отражения дуги в зеркале (когда затвор открыт). Перед пластинкой помещалась красная лампа, а затем кольца выдувались из трубки. Как только кольцо, симметричное по форме и двигающееся не слишком быстро, оказывалось перед пластинкой, мы дергали за шнурок, ведущий к затвору, и пластинка освещалась ослепительной вспышкой. От кольца падала четкая тень благодаря небольшому размеру и отдаленности источника света. Рис. 9 сделан с полученной фотографии. Кольцо состоит из слоя дыма и слоя воздуха, образующих спираль из нескольких законченных витков.

^* (Дым можно получить, например, положив в закрытую коробочку тлеющую бумагу.)

Рис. 9

По-видимому, угловая скорость вращения увеличивается по мере приближения к центру кольца, причем внутренние участки защищены от трения (если можно применить этот термин) прилегающими вращающимися слоями. Это легко можно показать, видоизменив опыт, например, создавая воздушное кольцо с ядром из дыма. Если мы сделаем маленький вихревой ящик с отверстием диаметром, скажем, 2 см, наполним его дымом и слегка ударим по стенке, то, по-видимому, появится толстое кольцо, вращающееся очень медленно. Однако если мы очистим воздух от дыма, вольем в ящик несколько капель аммиака и смажем концентрированной HCl нижнюю часть отверстия ящика, тогда дым образует тонкий слой у нижней части отверстия. После легкого удара о стенку дым переходил в ядро кольца, а остальная часть кольца оставалась невидимой. Видимая же часть вихря вращалась с удивительно большой скоростью. Нужна большая ловкость, чтобы создать такие, похожие на полумесяц, тонкие вихри. Лучшие результаты обычно получались после нескольких попыток. Вид одного такого ядра из дыма показан на рис. 10. Действительный размер вихря отмечен пунктирными линиями. Этот опыт не получается в большом масштабе, хотя я достиг некоторого успеха, распыляя нашатырь у верхнего края отверстия с помощью зигзагообразной железной проволоки, нагреваемой током.

Рис. 10

Принимая некоторые меры предосторожности, можно получить дымовое полукольцо такое, как на рис. 11. Это блестящая иллюстрация того, что образование колец никоим образом не зависит от наличия дыма. Лучший способ получить полукольца состоит в том, чтобы очень легко выдохнуть дым в бумажную трубку, позволяя ему течь по дну трубки, пока он не достигнет конца. Тогда кольцо выталкивается легким выдохом. Возможно, лучше проводить опыт в большой аэродинамической трубе с отверстием на дне, так как в этом случае можно наблюдать явления, происходящие внутри. Достаточно легко получить кольцо, в котором большая часть дыма сосредоточена в нижней половине; но получение кольца, одна половина которого полностью невидима, и такого, чтобы граница дыма была резко очерчена (как показано на рис. 11), требует большой практики. Я перепробовал различные схемы, чтобы получить эти полукольца в большом масштабе, но ни одна из них не дала результатов, достойных упоминания. Казалось, что применение раскаленной проволоки с нашатырем является самым многообещающим методом, однако резко очерченной границы дыма я так и не получил, а именно это отличает маленькие кольца, полученные с помощью трубки.

Рис. 11

Объясняя образование вихревых колец, вращательное движение часто приписывают трению между вытекающими воздушными струями и краем отверстия. Однако большей частью образование вихрей обусловливает трение с атмосферным воздухом. Чтобы проиллюстрировать эту точку зрения, я придумал вихревой ящик, в котором трение с краем отверстия отсутствует или, правильнее сказать, компенсируется уравниванием его по всему поперечному сечению выходящей струи. В дне цилиндрического жестяного ящика просверливается приблизительно 200 отверстий диаметром 1,7 мм каждое (рис. 12). Если ящик наполнить дымом и выпустить сильную струю воздуха, от поверхности, похожей на сито, отделяется красивое вихревое кольцо. Можно просто покрыть конец бумажной трубки куском туго натянутой льняной ткани и выдуть дымовое кольцо через нее.

Рис. 12

При опытах с ящиком, снабженным двумя круглыми отверстиями, я наблюдал слияние двух колец, двигающихся рядом, в одно большое кольцо. Если кольца имеют большую скорость вращения, они отскакивают друг от друга, но если кольца вращаются медленно, они соединяются. В момент соединения форма вихря очень неустойчива. Соединенные кольца скачком меняют горизонтальное положение на вертикальное так быстро, что это трудно заметить, а затем медленно приобретают форму кольца. То же самое можно показать с помощью двух бумажных трубок, держа их в разных углах рта и почти параллельно друг другу. В любом случае воздух в комнате должен быть практически неподвижен