Волны и вихри

Многие из повседневных физических явлений не могут быть объяснены на основе элементарных законов физики. Даже такое часто наблюдаемое явление, как волнение моря в ветреный день, не поддается исчерпывающему объяснению в рамках школьного курса физики. А чем обусловлены волны, разбегающиеся в спокойной воде от носа идущего парохода? Почему волнуются флаги в ветреную погоду? Почему песок на берегу моря располагается волнообразно? Почему клубится дым, выходящий из заводской трубы?

Рис.77. Спокойное (ламинарное) течение жидкости в трубе

Чтобы объяснить эти и другие подобные им явления ¹³, надо знать особенности так называемого вихревого движения жидкостей и газов. Постараемся рассказать здесь немного о вихревых явлениях и отметить их главные особенности.

¹³ (Эти очень интересные и действительно трудные вопросы разбираются в книге: Кадомцев Б. Б.. Рыдник В. И. Волны вокруг пас.- М.: Знание, 1981. Рекомендуем читателям познакомиться с этой книгой.)

Представим себе жидкость, текущую в трубе. Если все частицы жидкости движутся при этом вдоль трубы по параллельным линиям, то перед нами простейший вид движения жидкости - спокойный или, как физики говорят, ламинарный поток (рис. 77). Однако это вовсе не самый частый случай. Напротив, гораздо чаще жидкости текут в трубах неспокойно; от стенок трубы идут к ее оси вихри. Это - вихреобразное или турбулентное движение (рис.78). Так течет, например, вода в трубах водопроводной сети (если не иметь в виду тонкие трубы, где течение ламинарное). Вихревое течение наблюдается всякий раз, когда скорость течения данной жидкости в трубе (данного диаметра) достигает определенной величины, так называемой критической скорости^*.

^* (Критическая скорость для какой-нибудь жидкости прямо пропорциональна вязкости жидкости и обратно пропорциональна ее плотности и диаметру трубы, по которой жидкость течет. (Подробности в книге: Кирпичев В. Л. Беседы по механике.- 3-е изд..- М.; Д.: Гостехиздат, 1933, беседа седьмая.))

Рис.78. Вихревое (турбулентное) течение жидкости в трубе

Вихри текущей в трубе жидкости можно сделать заметными для глаз, если в прозрачную жидкость, текущую в стеклянной трубке, ввести немного легкого порошка, например ликоподия. Тогда ясно различаются вихри, идущие от стенок трубки к ее оси.

Эта особенность вихревого течения используется в технике при устройстве холодильников и охладителей. Жидкость, текущая турбулентно в трубке с охлаждаемыми стенками, гораздо быстрее приводит все свои частицы в соприкосновение с холодными стенками, нежели при движении без вихрей; надо помнить, что сами по себе жидкости - плохие проводники теплоты и при отсутствии перемешивания охлаждаются или прогреваются очень медленно. Оживленный тепловой и вещественный обмен крови с омываемыми ею тканями также возможен лишь потому, что ее течение в кровеносных сосудах не ламинарное, а вихревое ¹⁴).

¹⁴ (В мелких кровеносных сосудах течение крови ламинарное, и преобладающими являются диффузионные процессы переноса.)

Сказанное о трубах относится в равной мере и к открытым каналам и руслам рек: в каналах и реках вода течет турбулентно. При точном измерении скорости течения реки инструмент обнаруживает пульсации, особенно близ дна: пульсации указывают на постоянно меняющееся направление течения, т. е. на вихри. Частицы речной воды движутся не только вдоль речного русла, как обычно представляют себе, но также и от берегов к середине. Оттого и неправильно утверждение, будто в глубине реки вода имеет круглый год одну и ту же температуру, именно +4 °С: вследствие перемешивания температура текущей воды близ дна реки (но не озера) такая же, как и на поверхности^**.

^** (См. мою книгу "Знаете ли вы физику?".)

Вихри, образующиеся у дна реки, увлекают с собой легкий песок и порождают здесь песчаные волны. То же можно видеть и на песчаном берегу моря, омываемом набегающей волной (рис. 79). Если бы течение воды близ дна было спокойное, песок на дне имел бы ровную поверхность.

Рис.79. Образование песчаных волн на морском берегу под действием водяных вихрей

Итак, близ поверхности тела, омываемого водой, образуются вихри. Об их существовании говорит нам, например, змеевидно извивающаяся веревка, протянутая вдоль по течению воды (когда один конец веревки привязан, а другой свободен). Что тут происходит? Участок веревки, близ которого образовался вихрь, увлекается им; но в следующий момент этот участок движется уже другим вихрем в противоположную сторону - получается змеевидное извивание (рис. 80). Легко понять теперь, почему волнуется флаг при ветре (рис. 81): с ним происходит то же, что и с веревкой в текучей воде.

Рис.80. Волнообразное движение веревки в текучей воде обусловлено образованием вихрей

Рис.81. Реющий флаг на ветру

От жидкостей перейдем к газам, от воды - к воздуху. Кто не видел, как воздушные вихри увлекают с земли пыль, солому и т. п.? Это - проявление вихревого течения воздуха вдоль поверхности земли. А когда воздух течет вдоль водной поверхности, то в местах образования вихрей, вследствие понижения здесь воздушного давления, вода возвышается горбом - порождается волнение. Та же причина порождает песчаные волны в пустыне и на склонах дюн (рис. 82).

Рис.82. Волноообразная поверхность песка в пустыне

Волнение зрелой нивы того же происхождения. Твердая пластинка флюгера не сохраняет при ветре постоянного направления, а, повинуясь вихрям, все время колеблется. Такого же вихревого происхождения и клубы дыма, выходящего из заводской трубы: топочные газы протекают через трубу вихревым движением, которое продолжается некоторое время по инерции за пределами трубы (рис. 83).

Рис.83. Клубы дыма, выходящего из заводской трубы

Велико значение турбулентного движения воздуха для авиации. Крыльям самолета придается такая форма, при которой место разрежения воздуха под крылом оказывается заполненным веществом крыла, а вихревое действие над крылом, напротив, усиливается. В итоге крыло снизу подпирается, а сверху присасывается (рис. 84). Сходные явления имеют место и при парении птицы с распростертыми крыльями.

Рис.84. Каким силам подвержено крыло самолета . Распределение давлений (+) и разрежений (-) воздуха по крылу на основании опытов . В итоге всех приложенных усилий, подпирающих и засасывающих, крыло увлекается вверх. (Сплошные линии показывают распределение давлений; штриховые - то же при резком увеличении скорости полета.)

Как действует ветер, обдувающий крышу? Вихри создают над крышей разрежение воздуха; стремясь выровнять давление, воздух из-под крыши, увлекаясь вверх, напирает на нее. В результате происходит то, что, к сожалению, приходится нередко наблюдать: легкая, непрочно прикрепленная крыша уносится ветром. Большие оконные стекла по той же причине при ветре выдавливаются изнутри (а не разламываются напором снаружи). Однако эти явления проще объясняются уменьшением давления в движущемся воздухе (см. выше статью "Принцип Бернулли и его следствия").

Когда два потока воздуха разной температуры и влажности текут один вдоль другого, в каждом возникают вихри. Разнообразные формы облаков в значительной мере обусловлены этой причиной.

Мы видим, какой обширный круг явлений связан с вихревыми течениями.