Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2002 № 09

Некоторое представление о процессах, протекающих в линейном вихре, можно получить, помешивая чай в стакане. Будем это делать не торопясь. Вначале мы увидим, как на поверхности воды образуется впадина. Она вызвана действием центробежных сил инерции, которые отбрасывают воду к стенкам. Приглядевшись внимательно, можно заметить, как пузырьки воздуха и чаинки собираются в центре и поднимаются вверх. После этого они приближаются к стенкам и опускаются вниз. Таким образом, в чашке наличествуют два круговых движения: одно по вертикали, другое — по горизонтали. Если их мысленно прорисовать, то получается подобие бублика (рис. 1).

Рис. 1.

Таким образом, в стакане чая родился тороидальный вихрь.

Этот вихрь имеет два движения: кольцевое в горизонтальной плоскости и тороидальное, поперек стакана. Однако размеры, само существование этого вихря определяются стенками стакана.

Тороидальные вихри могут существовать самостоятельно. Их можно увидеть из несложного опыта.

Возьмите стеклянную банку объемом в 3–5 литров. Налейте в нее воду. Дайте воде постоять 15 минут, после чего деревянной палочкой снимите со стенок пузырьки воздуха. Дайте воде постоять еще минут пять. С высоты 2–3 см капните в воду каплю чернил, лучше всего из чернильной авторучки (рис. 2).

Старайтесь добиться, чтобы капля была как можно меньше. Вы увидите, как на поверхности воды после падения капли сразу же образуется круговое кольцо — вихрь, из него начнут опускаться смерчики (обычно 4–6 штук), на конце каждого из них образуется колечко-вихрь, которое также выпустит смерчики, далее снова и так далее, обычно 5–6 делений. У этих вихрей кольцевого движения незаметно. Зато есть ярко выраженное тороидальное.

Но вернемся к вихрям газовым. Происходящие в них процессы внешне похожи на то, что мы видели в этих опытах. Однако есть и различие.

Жидкость не сжимаема. Поэтому плотность жидкостного вихря везде одинакова.

В газовых вихрях все иначе. Центробежные силы прижимают газ к стенкам вихря. Здесь возрастает его давление и плотность, в то время как в центре он становится разреженным. Давление окружающей среды и выполняет роль тех стенок, которые не дают вращающемуся газу разлететься в стороны. А ее давление преобразуется в энергию вращения вихря. (Именно этот процесс сообщает атмосферным вихрям — смерчам и циклонам их чудовищную разрушительную силу.)

Кроме того, в газовом вихре происходит еще и охлаждение его в целом. Благодаря этому среднее значение плотности тороидального вихря в газе может быть больше плотности окружающей среды.

Тороидальные газовые вихри можно получить, не прибегая к столь вредному занятию, как курение табака. Нужно лишь сделать ящик Вуда (рис. 3).

Это обычный ящик без крышки. В дне ящика посредине прорезается отверстие диаметром в 5–8 сантиметров. Вместо крышки натягивается мембрана — упругая резиновая пленка.

Ящик Вуда готов.

Теперь его нужно заполнить дымом. Это можно сделать разными способами: например, кинуть в ящик «дымовушку» — горящую пластмассу. Но такой дым несет в себе копоть и имеет неприятный запах. Лучше всего положить в ящик кусок сухого льда. Он создаст стойкий белый туман без всякого запаха.

Если теперь резко ударить по мембране, то из ящика вылетит туманное вихревое кольцо — тороидальный воздушный вихрь.

С ящиком Вуда можно провести ряд экспериментов, имеющих не только познавательное и большое научное значение, но и просто забавных. Например, ящик Вуда пригоден для дистанционного «телекинетического» воздействия на ничего не подозревающих друзей. С них можно сбивать шляпы, как это делал Вуд, прицеливаясь в прохожих, или просто раздавать подзатыльники. Правда, в случае удачного эксперимента всегда есть шанс получить сдачи уже безо всякого ящика.

Но вернемся к науке. Прежде всего, желательно установить факт сжатия тела вихревого кольца на начальном этапе его полета. Для этого надо видеокамерой снять весь полет вихревого кольца, пущенного вдоль стенки, на которой нанесены горизонтальные параллельные линии. Просматривая фильм с замедлением, можно заметить, как происходит сжатие вихря на начальном участке полета.