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.

Вихревое кольцо 'в разрезе'. Видно, что его образует туго свернутая дымовая спираль.
Вихревое кольцо 'в разрезе'. Видно, что его образует туго свернутая дымовая спираль.
'Генератор дымовых колец' построил шотландский физик Питер Тейт в 1867 году. Рисунок из журнала того времени.
'Генератор дымовых колец' построил шотландский физик Питер Тейт в 1867 году. Рисунок из журнала того времени.
Дымовое кольцо в полете.
Дымовое кольцо в полете.
Если в генераторе Тейта отверстие заменить сеткой, все равно образуется одно дымовое кольцо.
Если в генераторе Тейта отверстие заменить сеткой, все равно образуется одно дымовое кольцо.
'Игра' вихревых колец. Если пустить одно за другим два кольца, то второе быстро догонит первое и проскочит сквозь него. При этом первое кольцо в диаметре увеличивается, а второе уменьшается. Теперь второе стало первым, и 'игра' повторяется.
'Игра' вихревых колец. Если пустить одно за другим два кольца, то второе быстро догонит первое и проскочит сквозь него. При этом первое кольцо в диаметре увеличивается, а второе уменьшается. Теперь второе стало первым, и 'игра' повторяется.
Кольцо, налетающее на край диафрагмы или одним боком на стенку, продолжает движение под углом к первоначальному направлению.
Кольцо, налетающее на край диафрагмы или одним боком на стенку, продолжает движение под углом к первоначальному направлению.
Взаимодействие чернильных колец в воде.
Взаимодействие чернильных колец в воде.

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.)

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'.