Багато з повсякденних фізичних явищ не можуть бути пояснені на основі елементарних законів фізики. Навіть таке часто спостережуване явище, як хвилювання моря в вітряний день, не піддається вичерпного пояснення в рамках шкільного курсу фізики. А чим зумовлені хвилі, блукаючі в спокійній воді від носа йде пароплава? Чому хвилюються прапори у вітряну погоду? Чому пісок на березі моря розташовується хвилеподібно? Чому клубочиться дим, що виходить із заводської труби?
Щоб пояснити ці та інші подібні їм явища, треба знати особливості так званого вихрового руху рідин і газів. Постараємося розповісти тут трохи про вихрових явища та відзначити їх головні особливості, так як у шкільних підручниках про вихорах ледь згадується.
Уявімо собі рідину, що тече в трубі. Якщо всі частинки рідини рухаються при цьому вздовж труби по паралельних лініях, то перед нами найпростіший вид руху рідини - спокійний, або, як фізики кажуть, «ламінарний» потік.
Спокійне («ламінарна») протягом рідини в трубі.
Однак це зовсім не найчастіший випадок. Навпаки, набагато частіше рідини течуть в трубах неспокійно; від стінок труби йдуть до її осі вихори. Це - вихреподібні або турбулентний рух. Так тече, наприклад, вода в трубах водопровідної мережі (якщо не мати на увазі тонкі труби, де протягом ламінарна). Вихровий протягом спостерігається кожного разу, коли швидкість течії даної рідини в трубі (даного діаметра) досягає певної величини, так званої критичної швидкості
Вихровий («турбулентний») протягом рідини в трубі.
Щоб пояснити ці та інші подібні їм явища, треба знати особливості так званого вихрового руху рідин і газів. Постараємося розповісти тут трохи про вихрових явища та відзначити їх головні особливості, так як у шкільних підручниках про вихорах ледь згадується.
Уявімо собі рідину, що тече в трубі. Якщо всі частинки рідини рухаються при цьому вздовж труби по паралельних лініях, то перед нами найпростіший вид руху рідини - спокійний, або, як фізики кажуть, «ламінарний» потік. Однак це зовсім не найчастіший випадок. Навпаки, набагато частіше рідини течуть в трубах неспокійно; від стінок труби йдуть до її осі вихори. Це - вихреподібні або турбулентний рух. Так тече, наприклад, вода в трубах водопровідної мережі (якщо не мати на увазі тонкі труби, де протягом ламінарна). Вихровий протягом спостерігається кожного разу, коли швидкість течії даної рідини в трубі (даного діаметра) досягає певної величини, так званої критичної швидкості*.
Вихори поточної рідини в трубі можна зробити помітними для очей, якщо в прозору рідину, що тече в скляній трубці, ввести трохи легкого порошку, наприклад лікоподію. Тоді ясно розрізняються вихори, що йдуть від стінок трубки до її осі.
Ця особливість вихрової течії використовується в техніці при пристрій холодильників і охолоджувачів. Рідина, що тече турбулентно в трубці з охолоджуваними стінками, набагато швидше приводить усі свої частки в зіткнення з холодними стінками, ніж при русі без вихорів; треба пам'ятати, що самі по собі рідини - погані провідники тепла і при відсутності перемішування охолоджуються або прогріваються дуже повільно. Жвавий теплової та речовинний обмін крові з омиваними нею тканинами також можливий лише тому, що її перебіг в кровоносних судинах не ламінарна, а вихровий.
Сказане про трубах відноситься в рівній мірі і до відкритих каналах і руслах річок: в каналах і річках вода тече турбулентно. При точному вимірюванні швидкості течії річки інструмент виявляє пульсації, особливо поблизу дна: пульсації вказують на постійно мінливий напрямок течії, тобто на вихори Частинки річкової води рухаються не тільки уздовж річкового русла, як зазвичай уявляють собі, але також і від берегів до середини. Тому і неправильно твердження, ніби в глибині річки вода має круглий рік одну і ту ж температуру, саме +4°С: внаслідок перемішування температура поточної води біля дна річки (але не озера) така ж, як і на поверхні. Вихори, що утворюються у дна річки, захоплюють з собою легкий пісок і породжують тут піщані хвилі». Те ж можна бачити і на піщаному березі моря, омиваному набігаючої хвилі:
Освіта піщаних хвиль на морському березі дією водяної вихорів.
Якби течія води біля дна було спокійне, пісок на дні мав би рівну поверхню.
Отже, поблизу поверхні тіла, що омивається водою, утворюються вихори. Про їх існування говорить нам, наприклад, змеевидно извивающаяся мотузка, простягнувся вздовж за течією води (коли один кінець мотузки прив'язаний, а інший вільний). Що тут відбувається? Ділянка мотузки, поблизу якого утворився вихор, захоплюється ним; але в наступний момент ця ділянка рухається вже іншим вихором у протилежний бік - виходить змієподібне извивание.
Хвилеподібний рух мотузки в текучій воді зумовлена утворенням вихорів.
Від рідин перейдемо до газів, від води до повітря.
Хто не бачив, як повітряні вихори захоплюють із землі пил, солому і т. п.? Це - прояв вихрової течії повітря вздовж поверхні землі. А коли повітря тече вздовж водної поверхні, то в місцях утворення вихорів, вспедствие пониження тут воздушною тиску, вода підноситься горбом - породжується хвилювання. Та ж причина породжує піщані хвилі в пустелі і на схилах дюн
Хвилеподібна поверхня піску в пустелі.
Легко зрозуміти тепер, чому хвилюється при вітрі прапор: з ним відбувається те ж, що і з мотузкою в текучій воді. Тверда платівка флюгера не зберігає при вітрі постійного напряму, а, підкоряючись вихором, весь час коливається. Такого ж вихрового походження і клуби диму, що виходить із заводської труби; топкові гази протікають через трубу вихровим рухом, який триває деякий час за інерцією за межами труби.
Реющий прапор на вітрі...
Клуби диму, що виходить із заводської труби.
Велике значення турбулентного руху повітря для авіації. Крил літака надається така форма, при якій місце розрідження повітря під крилом виявляється заповненим речовиною крила, а вихровий дію над крилом, навпаки, посилюється. В результаті крило знизу підпирається, а зверху присмоктується. Подібні явища мають місце і при ширянні птахів з розпростертими крилами.
Яким силам схильне крило літака.
Розподіл тисків (+) і разрежений (-) повітря по крилу на підставі дослідів.
У підсумку всіх докладених зусиль, підпирали і засасывающих, крило захоплюється вгору.
(Суцільні лінії показують розподіл тисків; пунктир - те ж при різкому збільшенні швидкості польоту)
Як діє вітер обдуває дах? Вихори створюють над дахом розрідження повітря; прагнучи вирівняти тиск, повітря з-під даху, захоплюючись вгору, тисне на неї. В результаті відбувається те, що, нажаль, нерідко доводиться спостерігати: легка, неміцно прикріплена дах несеться вітром. Великі шибки з тієї ж причини при вітрі видавлюються зсередини (а не разламываются натиском ззовні). Однак ці явища простіше пояснюються зменшенням тиску в рухомому повітрі.
Коли два потоку повітря різної температури і вологості течуть один вздовж іншого, в кожному виникають вихори. Різноманітні форми хмар значною мірою обумовлені цією причиною.
Ми бачимо, який великий коло явищ пов'язаний з вихровими течіями.
* Критична швидкість для якої-небудь рідини прямо пропорційна в'язкості рідини і обернено пропорційна її щільності та діаметру труби, по якій рідина тече. (Подробиці у книзі Ст. Л. Кирпичова «Бесіди з механіки», бесіда сьома.).
