главная	астрономия	гидрометеорология	имена на карте	судомоделизм
навигация	устройство НК	памятники	морпесни	морпрактика
протокол	сокровищница	флаги	семафор	традиции
морвузы	моравиация	мороружие	словарик	кают-компания

Василий Букреев

 

        Ураганы являются одними из наиболее величественных и одновременно одними из наиболее ужасных явлений природы. При этом исследователи ограничиваются только языком описания, не пытаясь понять механизма, действующего в урагане. И более того, в метеорологии даже не рассматривается, к какому типу вихрей относятся ураганы. А ведь в природе существуют два типа вихрей: вихри Тейлора и вихри Бенара.
        В вихре Тейлора среда вращается по концентрическим окружностям в одном и том же направлении в пределах всего вихря. В вихре Бенара существует два потока: внутренний и наружный. По внутреннему потоку среда, вращаясь в одном направлении, поднимается вверх. По периферийному потоку среда, вращаясь в противоположном направлении, опускается вниз. Т.е. тайфун является вихрем Тейлора, а торнадо является вихрем Бенара.
        Но вихри обоих типов являются объективной реальностью. При этом менее важно при каких условиях формируются те или иные вихри. Значительно важнее выяснить механизм их существования. Ведь зная механизм, можно найти и способы борьбы с тайфунами. Ну и пусть тайфуны где-то и как-то формируются. Ведь взгляд из космоса позволяет их вовремя обнаружить и принять соответствующие меры по их уничтожению. А этого не сделать без знания механизма, который позволяет тайфуну быть устойчивым вихревым образованием.
       

        Стоит отметить, что вихри в природе присутствуют повсеместно. С 30 годов прошлого века в метеорологии широко используются вихревые волны Россби (и вновь возникает вопрос, к какому типу вихрей они относятся). Возникают вихри и на поверхности тела в пограничном слое [1]. При этом закон сохранения момента количества движения требует формирования парных вихрей, двигающихся в противоположные стороны.
        Вихри возникают за счёт трения скольжения среды о поверхность тела. А т.к. вихри мы можем рассматривать в качестве гироскопа, то их движение подчиняется правилу прецессии (т.е. вихри двигаются по поверхности тела перпендикулярно потоку) Кстати, в этой работе определена и структура вихрей Тейлора.

 

 

 

Рисунок 1.
Структура пары вихрей Тейлора

 

        Рис. 1 демонстрирует, что в вихре Тейлора среда двигается по концентрическим окружностям. А т.к. вихрь двигается, то на переднем фронте он включает в свой состав среду, а на заднем фронте он с ней расстаётся.
        Можно привести и более разительный пример вихревого движения. На сайте Матрикс один из пользователей (другие пользователи подтвердили его информацию) рассказал, что в предгорьях Копет Дага дехкане поднимают воду от оснований холмов до их вершин без использования насосных станций. Для этого они создают серпантин из спусков и подъёмов. При этом каждый подъём выше предшествующего спуска. И система безотказно работает вопреки общепринятым законам физики.
        А вся соль заключена в том, что многотысячелетняя традиция позволяет им на спуске создавать такие углы, при которых в воде формируется последовательность вихрей Тейлора. Вихри же Тейлора являются упругой структурой, практически без гидродинамического сопротивления текущие по подъёму. За счёт этого вода и поднимается по подъёму на большую высоту по сравнению с высотой, с которой она спустилась. Т.е. дехкане тысячелетия назад изобрели вечный двигатель с КПД>1, которым и пользуются до настоящего времени.
        Поэтому не будем морочить себе голову тайфуном. Тайфун это вихрь Тейлора, точно такой же как и вихри, создаваемые дехканами. Вихрь же Тейлора, как и любое вращающееся тело, создаёт центробежную силу. Т.к. это классика классической механики, то и не будем останавливаться на этом вопросе.
       

        Центробежная сила при больших оборотах разрушает твёрдые тела, особенно при таких размерах и таких скоростях как в тайфуне. Но любой вихрь благополучно существует в течение достаточно длительных промежутков времени. Значит центробежную силу что-то компенсирует. А для этого вспомним, что вихрь Тейлора вращается. И как вращающийся объект он подчиняется правилу прецессии.
        Правило же прецессии гласит, что противодействующая сила перпендикулярна действующей силе и смещена в направлении вращения (на указанные 90 градусов). Среда в вихре Бенара вращается по концентрическим окружностям. А длина внутренней окружности меньше длины внешней относительно неё окружности. Т.е. внутренняя окружность вращается относительно внешней окружности. Возникающее при этом трение скольжения направлено тангенциально. Тангенциально же направленная сила трения скольжения порождает противодействующую силу, направленную перпендикулярно тангенциально действующей силе.
Следовательно, противодействующая сила имеет центростремительный характер. И эта сила действует со стороны внешней окружности на внутреннюю окружность (естественно и на всё, что внутри неё находится). Т.е. на внутреннюю окружность действует уже радиально направленная сила, которая всё по тому же правилу прецессии увеличит скорость вращения внутренней окружности со всем её содержимым. Поэтому скорость вращения в вихре Тейлора закономерно увеличивается от периферии к центру. Таким образом, мы выяснили, что вихрь Тейлора самостоятельно формирует центростремительную силу, что и позволяет ему существовать в течение продолжительных промежутков времени.
        Но тайфун это всё же экстраординарный вихрь Тейлора. В связи с его размерами центростремительная сила развивает чрезвычайно большие скорости вращения. Скорость вращения увеличивается на больших расстояниях от его периферии. Центробежная же сила не имеет кумулятивного эффекта. Если центростремительная сила суммируется на всём протяжении вихря, то центробежную силу формирует только отдельно взятая окружность. И для достижения центробежной силой больших значений скорость вращения рассматриваемой окружности должна быть достаточно большой. Поэтому в вихрях Тейлора небольших размеров влияние центробежной силы внешне никак не чувствуется.
        В тайфуне же скорости вращения достигают чрезвычайно больших величин. Поэтому и центробежная сила достигает таких величин, при которых ею уже нельзя пренебречь. Т.е. центростремительная сила приготовила себе могильщика. В пределах стены тайфуна величина центробежной силы примерно равна величине центростремительной силы. Поэтому в стене тайфуна скорость вращения среды практически не изменяется. И при уменьшении радиуса неизбежно наступает такой момент, когда величина центробежной силы больше величины центростремительной силы. Естественно, что с этого радиуса скорость вращения падает до нуля. И мы имеем загадочный для современной физики глаз тайфуна.
       

        Но тайфун двигается по пространству. Центростремительная сила жадно поглощает всё новые и новые массы среды. И её величины уже не хватает для удержания в своей власти бешено вращающейся среды. Выросшая величина центробежной силы заставляет тайфун расставаться с приобретением, выпуская из своего состава вихревые хвосты (рис 2 взят из Интернета).

 

 

 

Рисунок 2.
Тайфун.
 

 

        На рис 2 можно различить два ясно видных вихревых хвоста и примерно два уже полуразрушенных хвоста. Из рис. 2 видно также, что правая сторона тайфуна шире левой стороны. Соответственно и скорость вращения в правой стороне больше, чем в левой стороне (в левой стороне уже центробежная сила демонстрирует свой норов).
        Каждый вихревой хвост тайфуна уносит с собой энергию. И следующий хвост тайфун может выпустить только после того, как он восполнит потери энергии. Общепринято считать, что энергию тайфуну приносит кристаллизация мелких капель воды в более крупные. Выделившееся при этом тепло поддерживает существование тайфуна. Но можете ли вы назвать хоть одно техническое устройство, которое тепло непосредственно переводит в кинетическую энергию? Я таких устройств не знаю. Т.е. эта логика шита белыми нитками. А вместе с тем других источников поступления энергии у тайфуна не наблюдается. Тем более что выйдя на сушу тайфун начинает уменьшать свою мощность. Попробуем разобраться и с этим вопросом.
       

        С 50 годов прошлого века в статистической физике начало развиваться кластерное направление исследований, стремящееся из статистического хаоса получить кристаллический порядок. Т.е. кластерная (кристаллическая) структура существует и в жидкостях, и в газах. Но хотя кластеры и являются устойчивыми во времени образованиями, они быстро изменяют свою конфигурацию, в связи с чем и возникали трудности с их экспериментальным определением.
        Устойчивыми же образованиями в природе являются вихревые образования. Какой же тип вихрей может претендовать на роль кластеров в жидкостях и в газах? Ясно, что вихрь Тейлора на эту роль претендовать не может. Ведь для его перемещения требуется свободное место, имеющее его объём, что нереально.
        Вихрь Бенара более достойный претендент на роль кластеров. Ведь в вихре Бенара среда и вверх, и вниз двигается по винтовым спиралям. А также как и пружину, винтовую спираль можно сжать, растянуть или изогнуть. Спираль так спиралью и останется. Поэтому вихрь Бенара способен проползти в любую щель, так же как это делает и шаровая молния, являющаяся вихрем Бенара. И кластеры жидкостей и газов проползают в щели дислокаций, создавая в них тепловое движение.
        Представим на время вихрь Бенара в форме бочонка. Его длина по оси уменьшилась. Следовательно, уменьшилась и скорость движения (вихрь Бенара двигается в направлении оси). Но при деформации энергия самого вихря не изменилась. Измениться может только её распределение между осевой и тангенциальной составляющими движения. Среда же имеет две составляющие энергии: кинетическую и тепловую. Если мы уменьшим осевую составляющую вихря, то этим мы уменьшили его кинетическую энергию и увеличили тепловую энергию. Увеличив же кинетическую энергию вихря Бенара, мы уменьшаем его тепловую составляющую.
Это положение имеет и техническое подтверждение. В технике достаточно широко используются трубки Ранке [3], [4].

 

 

 

Рисунок 3.
Трубка Ранке
 

 

        Тангенциальным входом в трубке создаётся вихревое движение одного направления вращения. Но центральный поток, выходящий в обратном направлении, имеет противоположное направление вращения, которое конструктивно не создаётся. Т.е. трубка Ранке сама распорядилась, создав в центре противоположное вращение. А этим свойством обладает вихрь Бенара. Т.е. в трубке создаётся вихрь Бенара.
А т.к. скорость центрального потока резко увеличивается, то увеличивается и кинетическая энергия кластеров (вихрей Бенара) воздуха. Поэтому температура центрального потока уменьшается. И трубка Ранке используется для сжижения газов.
        Нас же меньше всего волнует сама трубка Ранке. Мы рассматриваем тайфуны. А в тайфунах бешеная скорость движения среды создаёт динамическое разрежение (и наименьшее атмосферное давление наблюдается поэтому в глазе тайфуна). Это динамическое разрежение засасывает в тайфун воду с поверхности океана. Та же большая скорость формирует суспензию с мельчайшими каплями воды. Конденсация капель сопровождается выделением тепла. А термодинамическое равновесие кластеров воздушно-водной суспензии требует определённого соотношения между тепловой и кинетической энергиями. Поэтому часть выделившейся при конденсации капель тепловой энергии идёт на восполнение кинетической энергии, потерянной тайфуном при потере хвоста из своего состава. На суше же тайфун не может подпитывать свою энергию. Поэтому центробежная сила последовательными отделениями от тайфуна хвостов ведёт к его затуханию.
       

        Описанный механизм существования тайфунов (ураганов, тропических циклонов) позволяет предложить и способ их уничтожения. Нашим союзником в этом благородном деле выступает центробежная сила. Но её возможности ограничены. Поэтому при движении по океану тайфун и наращивает свою мощность за счёт тепловыделения при конденсации воды.
        В наших же силах помочь центробежной силе. И особых усилий это не требует. Ведь в стене тайфуна наблюдается зыбкое, неустойчивое равновесие между центростремительной и центробежной силами. Образно можно сравнить это равновесие с равновесием карандаша, поставленного на попа. И если мы произведём взрыв в левой задней половине стены тайфуна, то центробежная сила тут же отделит от него очередной вихревой хвост. И большой мощности взрыва для этого вероятно не потребуется (хватит и десятка или два кг. взрывчатки в тротиловом эквиваленте). Естественно, что одного взрыва будет недостаточно в связи с пространственными размерами тайфуна. Но кто нам может помешать произвести серию взрывов через определённые промежутки времени?
        Конечно же, заранее невозможно предсказать ни требуемой мощности взрывов, ни их количества. К тому же это будет зависеть и от стадии развития тайфуна. Молодой тайфун потребует меньших усилий. Мощный тайфун потребует совсем других усилий. Но т.к. тайфуны приносят большие человеческие и экономические потери, то эта овчинка выделки стоит.
 

 

Литература

1. Sirovich L., Ball K. L., Keefe L. R. Plane waves and structures in turbulent channel flow. Phys Fluids A2 (12), December 1990, 2217-2226
2. А.П. Меркулов Вихревой эффект и его применение в технике. Изд. «Машиностроение» М. 1969. http://www.twirpx.com/file/252142/
3. Ю.С. Потапов, Л.П. Фоминский, С.Ю. Потапов - " Энергия вращения"