Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

ВИХРЕВЫЕ КОЛЬЦА

И. СНИЗИНОВ.

Стендовый доклад на тему "Вихревые кольца" Иван Снизинов, ученик 11-го класса московской гимназии № 1543, сделал на физическом факультете МГУ им. М. В. Ломоносова в рамках молодежной программы, посвященной году физики, которым был объявлен 2005 год в связи со столетием создания теории относительности. Соавторами работы были его одноклассники А. Турок и Д. Налобин; научным руководителем - преподаватель физики Д. Королев.

Что общего может быть у урагана и, например, НЛО? Ураганы и циклоны - это гигантские вихревые образования, а то, что мы видим как неопознанный летающий объект, скорее всего, атмосферный вихрь. Вообще, вихревые образования мы встречаем чуть ли не повсюду: например, кружащиеся клубы снега либо песка или когда спускаем воду из наполненной ванны. Научившись ими управлять, мы сможем обуздать ураганы, торнадо и даже летать с их помощью, как это делают многие жуки. Но это конечно же в теории, а сначала нужно исследовать их свойства.

Для исследования взяли частный случай вихревых образований - вихревые кольца. Была построена установка - аппарат Тейта. Он представляет собой кубический ящик со стенками длиной 0,75 метра. Его задняя стенка - мембрана - сделана из куска клеенки и системы резиновых жгутов, которые обеспечивают упругость мембраны. Напротив нее стоит диафрагма - стенка с круглым отверстием, его диаметр можно менять при помощи насадок. Кое-что еще вы можете прочитать в журнале "Квант" № 12, 1971 г. в статье Роберта Вуда "Вихревые кольца". Американский физик Роберт Вуд первым стал проводить наглядные опыты с вихревыми кольцами. (Заметки о вихревых кольцах в воздухе и в воде были также опубликованы в журнале "Наука и жизнь" № 12, 1968 г., с. 126 и № 12, 2001 г., с. 91. - Прим. ред.)

Обеспечим библиотеки России научными изданиями!

ОБРАЗОВАНИЕ ВИХРЕВЫХ КОЛЕЦ

Внутрь ящика помещен стакан с бинтом, вымоченным в дымящей чилийской селитре, чтобы сделать кольца видимыми. Ударяя по мембране, 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 вырывается из отверстия, приводит в движение ранее покоившийся воздух комнаты и благодаря силам вязкого трения сам закручивается в дымовое кольцо.

Может быть, в образовании вихревых колец главную роль играют края отверстия? Проверим. Вместо обычной диафрагмы поставим в аппарате Тейта сетку. Если наша гипотеза верна, должно получиться много маленьких колец. Однако опыт показывает, что это не так: образуется одно большое вихревое кольцо. Очень важно, чтобы дым из аппарата выходил отдельными порциями, а не непрерывной струей. Если заменить мембрану поршнем и перемещать его, из отверстия вместо колец появится непрерывная струя дыма.

ДВИЖЕНИЕ СРЕДЫ ВОКРУГ ВИХРЕВЫХ КОЛЕЦ

Что происходит с окружающей средой после образования вихря? Ответить на этот вопрос нам помогли соответствующие опыты.

На расстоянии 2-3 метра от аппарата Тейта поставим зажженную свечу. Дымовое кольцо пустим так, чтобы оно не врезалось в пламя свечи, а прошло рядом. Пламя либо погаснет, либо будет очень сильно колыхаться. Это говорит о том, что движется не только видимая часть кольца, но и слои воздуха, прилегающие к кольцу.

Чтобы посмотреть, как они движутся, возьмем две тряпочки, одну смочим соляной кислотой, другую - нашатырным спиртом и подвесим их на расстоянии 10-15 сантиметров одну от другой. Пространство между ними сразу же заполнится дымом (парами нашатыря). Пустим в облако этого дыма дымовое кольцо из аппарата. Пройдя через облако, кольцо увеличивается в размерах, а облако приходит в круговое движение. Из этого можно заключить, что вокруг вихревого кольца воздух вращается. Аналогичный опыт можно провести и с водой. Медленно вращая воду в стакане, капнем в нее чернила и дадим воде устояться. В стакане образуются чернильные нити. Теперь пустим чернильное кольцо. Когда оно проходит вблизи нитей, они закручиваются.

РАССЕЯНИЕ ДЫМОВЫХ КОЛЕЦ

Мы провели несколько опытов по взаимодействию дымовых колец с диафрагмами различного диаметра и с плоскостью.

Представим себе, что кольцо налетает на диафрагму, диаметр которой меньше диаметра кольца. Рассмотрим два случая: центральное соударение, когда скорость поступательного движения кольца перпендикулярна плоскости диафрагмы, а центр кольца проходит через середину отверстия, и нецентральное соударение, когда центр кольца не проходит через нее.

В первом случае происходит следующее. Налетающее на диафрагму кольцо рассеивается, а по другую сторону диафрагмы возникает новое кольцо меньшего диаметра. Причина его возникновения та же, что и в аппарате Тейта: воздух, движущийся вокруг первоначального кольца, устремляется в отверстие и увлекает за собой дым рассеянного вихря. Аналогично происходит центральное соударение в случае, когда диаметр диафрагмы равен диаметру кольца или несколько больше его.

Гораздо более интересен результат нецентрального соударения: вновь образовавшийся вихрь вылетает под углом к начальному направлению движения. Теперь рассмотрим взаимодействие кольца с плоскостью. Если плоскость перпендикулярна скорости кольца, кольцо только как бы расплывается, не теряя своей формы. Объяснить это можно тем, что поток воздуха, движущегося внутри кольца, образует область повышенного давления, в результате чего и происходит равномерное расширение всего вихревого кольца.

Если же плоскость наклонить под некоторым углом к первоначальному положению, вихрь, налетая на плоскость, будет отталкиваться от нее. Этот факт тоже можно объяснить возникновением области повышенного давления в пространстве между кольцом и плоскостью.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КОЛЕЦ

Бесспорно, самыми интересными оказались опыты по изучению взаимодействия вихревых колец. Мы проводили эксперименты с кольцами и в воде и в воздухе.

Если пустить каплю чернил с высоты 1-2 сантиметра в сосуд с водой, а через секунду пустить еще одну каплю, но уже с высоты 2-3 сантиметра, образуются два вихря, движущиеся с разными скоростями: второй - быстрее, чем первый (v2 > > v1). Оказавшись на одной высоте, кольца начинают взаимодействовать.

Здесь, оказывается, возможны три случая.

1. Второе кольцо обгоняет первое, не задевая его. При этом происходит следующее. Во-первых, потоки воды от обоих колец как бы расталкивают кольца. Во-вторых, обнаруживается переток чернил от первого кольца ко второму: водяные потоки второго кольца более интенсивны, они и увлекают чернила за собой. Иногда часть этих чернил проходит через второе кольцо, вызывая образование нового небольшого кольца. Затем кольца начинают делиться; дальше ничего интересного заметить не удается.

2. Второе кольцо с более интенсивными потоками при обгоне задевает первое и разрушает его. Как правило, из оставшегося от первого кольца сгустка чернил образуются новые маленькие вихри.

3. Кольца испытывают центральное соударение. При этом второе кольцо проходит через первое и уменьшается в размерах, а первое, наоборот, расширяется. Как и в предыдущих случаях, это происходит за счет взаимного действия водяных потоков одного кольца на другое. В дальнейшем кольца начинают делиться.

Взаимодействие дымовых колец в воздухе мы исследовали с помощью аппарата Тейта с двумя отверстиями. Оказалось, что результаты опытов сильно зависят от силы и продолжительности удара по мембране. В некоторых установках удар производят тяжелым маятником, а в нашей установке удар проводился рукой.

Было обнаружено, что, если расстояние l между отверстиями меньше диаметра d каждого отверстия (l < d), два потока воздуха перемешиваются, и образуется одно вихревое кольцо. При d < l < <1,5d кольцо, как правило, вообще не образуется. Во всех остальных случаях возникают два кольца. При этом, если l > 4d, кольца не взаимодействуют друг с другом, а если l,5d << l < 4d, кольца сначала сближаются, а затем, в конце своей "жизни", могут расходиться.

Сближение можно объяснить тем, что в пространстве между кольцами образуется нечто подобное "мнимому" кольцу, которое движется в противоположную сторону. Плоскости колец поворачиваются одна к другой, и кольца начинают сближаться. Что происходит с кольцами в конце "жизни", нам объяснить не удалось. В дальнейшем мы планируем провести эксперименты с использованием мембран из других материалов, изучить взаимодействие колец с наклонной плоскостью, с неподвижным воздухом при помощи его задымления и многое другое.


Случайная статья


Другие статьи из рубрики «Физпрактикум»

Детальное описание иллюстрации

Взаимодействие чернильных колец в воде: а - второе кольцо обгоняет первое, не задевая его; потоки воды расталкивают кольца, часть чернил перетекает от первого кольца ко второму; б - второе кольцо задевает первое и разрушает его, создавая новые вихри меньшего размера; в - при центральном соударении колец наблюдается их 'игра'.