Вихри в физике

Главная | Регистрация | Вход
Понедельник, 18.12.2017, 13:43
Приветствую Вас Гость | RSS
Меню сайта
Категории раздела
Мои статьи [21]
Форма входа
Главная » Статьи » Мои статьи

Анатомия вихревых волн Россби (или почему природа любит вихри)
Анатомия вихревых волн Россби
(или почему природа любит вихри).
В современной физике только ленивый не упоминает вихревого движения. Развита блестящая математическая теория, море литературы по этому вопросу. А вихревого движения как такового как не было в физике, так нет и поныне. Математическая вода беззаботно выплеснула физического ребёнка вихрей. Ведь вихри бывают только и только двух типов: вихри Тейлора и вихри Бенара [1]. А с каким же видом вихрей оперирует современная физика?
Допустим, что олухи царя небесного Бенар и Тейлор не поняли, что они ненароком натворили и куда можно пристроить свои эпохальные открытия. Но работа [2] показала, что вихревое движение отнюдь не является какой-то экзотикой. В каждодневно встречающемся пограничном слое вылезают непрошенные гости-вихри Тейлора, авторами работы названные вихревыми волнами. Вновь действует порочная практика, запрещающая выделять вихри в самостоятельный объект исследований. Согласно ей вихрей в современной физике нет и быть не должно. А есть вихревые волны пограничного слоя, вихревые волны Россби и т.д. А ведь авторы работы [2] сумели даже определить внутреннюю структуру вихрей Тейлора, которая практически совпадает со структурой вихрей Тейлора, описанной в работе [1].
 
Рисунок 1.
Траектория частиц в паре расходящихся вихрей Тейлора.
Для сравнения приведём достаточно хорошо известный факт описания траектории частиц в волне, который был открыт ещё в 19 столетии.
 
Рисунок 2.
Траектории частиц в волне.
Сравнение рисунков демонстрирует, что вихри и волны это совершенно разные объекты природы, не имеющие между собой 

ничего общего. В вихрях частицы двигаются по концентрическим окружностям. А в волнах частицы гуляют сами по себе, каждая из которых описывает свою индивидуальную окружность. А если это разные объекты природы, то и математическое описание волн нельзя переносить на вихри. Поэтому и словосочетания вихревые волны или волновые вихри являются абракадаброй, не имеющей никакого отношения к природной действительности.
Кроме того, неужели математика способна как-то описать траектории движения частиц в волне или траектории частиц в вихре? А уж зачем природе понадобилось формировать вихри на поверхности тела в пограничном слое как современная физика, так и математика скромно умалчивают. Ведь двигаясь в пограничном слое по поверхности тела поперёк потока [2], вихри и создают сопротивление вязкого трения. Таким образом, математическая эквилибристика переноса уравнений волнового движения на вихревое движение является изощрённой игрой математического ума, к реальным вихрям не имеющая абсолютно никакого отношения.
Анатомия вихрей.
Если природа так уж любит вихри, то значит вихри обладают какими-то полезными для неё свойствами. Постараемся выяснить, что же полезного обнаружила природа в вихревом движении, о чём в силу ограниченности своих знаний, дополненной безграничной верой во всесилие математики, мы пока что догадаться не можем.
Сразу отметим, что как волна, так и вихрь это не движение самой материи, а движение состояния, переносящее энергию как волны, так и вихря. Отдельно взятый вихрь (скажем цунами) прошёл. И движение его состояния унесло с собой и его энергию. За холмиком цунами вновь тишь да гладь. А при выходе на берег реальное движение частиц в вихре (соответствующее рис. 1) формирует уже материальный вихрь, выкатывающийся на берег. Т.е. переносимая цунами энергия состояния материализовалась.
Поэтому между волной и вихрем существует принципиальная разница. Свою энергию вихрь (подобно раковине улитки) несёт с собой, практически не теряя её на передвижение в пространстве. Т.е. проделав круг почёта по вихрю, частица среды успокаивается за его пределами, практически не отбирая от вихря энергию. В волне же её энергия передаётся непосредственно частицам среды. И до тех пор пока частицы среды её полностью не используют, мы будем наблюдать волновое движение.
Выше было указано, что вязкое трение создаётся вихревым движением. И в то же время вихревое движение обеспечивает отсутствие потерь на вязкое трение. Нет ли в этих утверждениях противоречия? Никакого противоречия нет. Рис. 1 демонстрирует, что частицы в вихре двигаются по концентрическим окружностям. Но если на движение по окружностям накладывается ещё и движение в осевом направлении вихря, то здесь и появляется гидродинамическое сопротивление, о чём свидетельствует классический эксперимент Тейлора [1].
 
Рисунок 3.
Вихри Тейлора
В тонком зазоре между концентрическими цилиндрами, внутренний из которых вращался, возникали вихри. И в момент возникновения вихрей гидродинамическое сопротивление скачком увеличивалось. Ведь как видно из рис. 3 кроме вращения по концентрическим окружностям (приведённых в разрезе в правой части рисунка) вихри имели и осевую компоненту движения. А если бы присутствовало бы только вращение по окружностям, то вихри играли бы роль подшипников, эффективно уничтожающих трение скольжения, как это и происходит в цунами. Поэтому в утверждении, что вихри создают трение скольжения и уничтожают трение скольжения, нет никакого противоречия.
И уже классики гидродинамики определили разницу между вихрями Тейлора и Бенара. Если в вихре Тейлора среда вращается по концентрическим окружностям (как это следует из рис. 1 и 3), то в вихре Бенара среда поднимается по центру, а опускается по периферии [1]. А т.к. вихрь Бенара является всё же вихрем, то в нём присутствует и классика вращения по окружности. Т.е. в вихре Бенара вращение идёт как по окружностям, так и вокруг цилиндрической поверхности.
Но т.к. нас интересуют вихри Россби, то нашей целью являются всё же вихри Тейлора. Рассмотрим какие же силы существуют в вихрях Тейлора. Т.к. вихрь является вращающимся объектом, то как вращающееся тело вихрь формирует центробежную силу. Т.к. центробежная сила относится к классике, то её мы не будем рассматривать. Выше же мы выяснили, что частички среды в вихре Тейлора вращаются по окружностям концентрических цилиндров. А длина окружности внутреннего цилиндра меньше длины окружности внешнего цилиндра. Т.е. внутренний цилиндр вращается относительно внешнего. Возникает сила трения скольжения.
Правило же прецессии, справедливое для вращающихся объектов, гласит, что противодействующая сила перпендикулярна действующей силе и смещена относительно действующей силы в направлении вращения. А т.к. внутренний цилиндр вращается относительно внешнего цилиндра, то сила трения скольжения, действующая по касательной, будет иметь центростремительный характер. Т.е. в вихре Тейлора существуют как центростремительная сила, так и сила центробежная, что и позволяет вихрю Тейлора быть упругим объектом, стабильным во времени. Эта ситуация изображена в левой части рис. 3.
Но вихри Тейлора могут существовать как в форме единоличников, так и прекрасно себя чувствуют в составе колхоза из последовательности вихрей. Эта ситуация изображена в правой части рис. 3. Вращающиеся в одном направлении два вихря Тейлора в месте касания вращаются в противоположных направлениях. Т.е. возникает сила трения скольжения.
 
Рисунок 4.
Силы в вихрях Тейлора.
И всё то же правило прецессии диктует, что силе трения скольжения будет противодействовать сила, имеющая центростремительный характер. Т.е. для взаимодействующих вихрей возникает абсурдная с позиции современной физики ситуация. Сила трения скольжения вместо того, чтобы останавливать вихревое движение, напротив его поддерживает, компенсируя центробежную силу. Поэтому последовательность вихрей Россби и имеет возможность распространяться без потерь энергии по всему мировому океану (это же справедливо и для атмосферы). А это настолько полезное для природы свойство вихрей, что она чрезвычайно широко использует вихревое движение.
Этим свойством отнюдь не обладают волны. Ведь частички среды в свою очередь являются вихрями (но уже вихрями Бенара). Сила же, действующая на частички воды в волне направлена по вертикали. И всё то же правило прецессии заставляет частички воды (вихри Бенара) на поверхности двигаться по окружности. А при удалении от поверхности вихри Бенара двигаются по эллипсам, а у дна водоёма по прямой. С позиций современной физики это движение можно объяснить только потусторонними силами. С позиции вихревой физики это объяснение более чем элементарно.
Основные закономерности формирования атмосферных вихрей.
В работе [3] предлагается механизм формирования атмосферных вихрей. Как это и принято в современной науке, автор не делает различия между вихрями разного вида. Поэтому и для торнадо в работе появился глаз циклона, которого там в принципе быть не должно. Это чисто умозрительное заключение, основанное на переносе свойств вихря одного типа на вихрь другого типа. В работе [4] анализируются торнадо разного вида. В том числе приводятся и торнадо, в которых хобот то выглядывает из тучи, то вновь в неё прячется. И если бы было справедливо утверждение работы [3], то при касании хоботом земли появлялось бы пятно в форме кольца. А этого ни в одной из работ (известных автору) не утверждается.
Торнадо же отдалённый родственник безобидного вихря Бенара над нагретым солнцем склоном холма [5]. А в вихре Бенара [1] среда сплошным потоком поднимается вверх по его центральной части, а опускается по периферии. Никакого дополнительного, внутреннего потока опускающегося вниз по его центру в вихре Бенара не существует.
В то же время автор работы [3] прав в другом. Для формирования вихря Бенара обязателен как градиент температуры по высоте, так и градиент температуры по горизонтали. Равномерно нагретая поверхность вихрей Бенара сформировать не в состоянии. Охлаждённому вихрем Бенара воздуху надо куда-то опускаться. И чем холоднее окружение нагретого солнцем пятна в морской или в океанской акватории, тем до меньшей температуры вихрь Бенара имеет возможность охлаждать воздух. И тем большими будут вертикальные размеры вихря Бенара. Нагретый склон холма может поднять вихрь Бенара до одной высоты. А если в морской или в океанской акватории в окружении тёплого пятна (с температурой не меньше 26 градусов) находятся воды с температурой хотя бы на 10 градусов ниже, то формирование торнадо, а затем и тайфуна с гарантией будет обеспечено.
Приложение.
Для иллюстрации широкого применения природой вихревого движения приведём несколько примеров. Для метеорологов не требуется объяснение того, что обозначает давление в мм. рт. ст. У молодого, здорового человека давление изменяется в пределах 80-130 мм. рт. ст. Длина же кровеносной системы человека с учётом капилляров по некоторым оценкам составляет тысячи км. Т.е. движение крови по кровеносной системе практически без потерь на гидродинамическое сопротивление может быть обеспечено только вихревым движением. И действительно, в начале века в прессе прошло сообщение об открытии новосибирских медиков, которые экспериментально доказали, что кровь по сосудам двигается вихрями.
С 50 годов прошлого века экспериментами в аэродинамической трубе было доказано [6], что птицы создают тяговое усилие и подъёмную силу как при взмахе вниз, так и при взмахе вверх. При этом скоростная киносъёмка показала, что в конце взмаха вниз птицы зачем-то резко опускают вниз маховые перья своих крыльев. И только затем, во время взмаха вверх они поднимают перья вверх в прежнее положение, соответствующее взмаху вниз. На рис. 5 (заимствованном из работы [6]) видно, что поднятые вверх крылья полностью подготовлены для взмаха вниз (создан соответствующий угол атаки крыла).
 
Рисунок 5.
Полёт голубя.
В положении же 8 опущены не только сами маховые перья, но крыло изогнуто вниз даже в его суставе. Можно сослаться на работу [1], в которой показано, что в углу между крылом и корпусом самолёта постоянно присутствуют вихри Тейлора. Этот же вихрь формируется и у птиц. Резким изменением положения маховых перьев крыла птицы увеличивают этот вихрь. А вихрь является упругим образованием. И птице всего лишь остаётся маховыми перьями крыла отталкиваться от вихря, создавая этим самым и тяговое усилие, и подъёмную силу. Как-то по телевизору показывали съёмку сверху полёта дикого гуся. И было чётко видно, что гусь поднимает от тела к кончикам крыльев одно маховое крыло за другим. Т.е. эту же технологию используют и другие птицы.
Если у птиц есть пара крыльев, то у рыб существует только один движитель-хвост. Понятен механизм отталкивания при движении хвостом к центральному положению. Но после этого хвост вновь должен уйти в другое крайнее положение. Каким же образом рыбы создают тяговое усилие при движении хвоста из центра в крайнее положение?
По-моему впервые у дельфинов было замечено, что по их кожным покровам при движении пробегают бегущие волны. Такие же волны бегут по чешуйкам других рыб. А природа ведь впустую ничего не делает. Значит эти волны рыбы как-то используют. А их использование возможно только при наличии вихревого движения. Т.е. рыбы должны создавать вихри. 
Для создания же вихрей вероятней всего используются жабры, которые имеют никак и ничем не обоснованную жёсткую структуру. Т.е. движением жабр рыбы создают вихри по обеим сторонам своего тела. Мышечными волнами они гонят вихри по своему телу. Отталкиваясь от вихрей рыбы создают какую-то скорость движения.
Но не может же природа не снимать с одного вихревого барана две шкуры. Прогнав вихри по своему телу до хвоста, волнообразным движением хвоста рыбы отталкиваются от ними же созданного вихря, дополнительно увеличивая скорость своего движения. И вновь телевизор позволил убедиться в реальности этого механизма. В одной из передач были показаны мелкие акулы с асимметричными хвостами, верхняя часть которых значительно длиннее нижней. И при движении на верхней части хвоста чётко видны волны, бегущие по ней. Т.е. хвостовыми бегущими волнами акулы отталкиваются от вихрей.
Литература.
1. Г. Шлихтинг. Теория пограничного слоя. "Наука”, М. 1969.
2. Sirovich L., Ball K. L., Keefe L. R. Plane waves and structures in turbulent channel flow. Phys Fluids A2 
(12), December 1990, 2217-2226
3. Бондаренко А.Л. Основные закономерности формирования атмосферных вихрей. 
http://meteoweb.ru/2010/aao004.php
4. Д.В. Наливкин Ураганы, бури и смерчи. «Наука», Ленинград, 1969
5. Букреев В.С. Механизм формирования ураганов.
6. Биогидродинамика плавания и полета. М. "Мир”, 1980.

Категория: Мои статьи | Добавил: Василий (06.04.2012)
Просмотров: 3795 | Комментарии: 2 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 1
1  
ВОЛНЫ УБИЙЦЫ: Замечена строгая закономерность, там где есть водовороты, в океанах морях и озерах, там есть приливы и отливы, а там где нет водоворотов, там нет приливов и отливов...Просторы мирового океана, сплощь покрыты водоворотами, а водовороты обладают свойством гироскопа(юлы) сохранять вертикальное положение оси в пространстве, независимо от вращения Земли...Если смотреть на Землю со стороны Солнца, водовороты вращаясь вместе с Землей, опрокидываются два раза в сутки, благодаря чему ось водоворотов прецессирует (1-2 градусов) и отталкивает от себя волну-солитон. В результате образуются приливы и отливы, стоячие волны и вертикальное перемещение океанических вод. Волна убийца, результат столкновения солитонов, двух соседних водоворотов... Средиземное море считается без приливным, но около Венеции и на проливе Эврипос, на востоке Греции, приливы и отливы бывают до одного метра и больше. И это считается одной из загадок природы, но в тоже время, Итальянские физики, обнаружили на востоке Средиземного моря, на глубине более трех километров цепочки подводных водоворотов, по десять километров в диаметре каждый. Из этого можно сделать вывод, что вдоль побережья Венеции, на глубине нескольких километров, находится цепь подводных водоворотов... Причиной приливов и отливов в Белом море, полагаю является не Лунная приливная волна движущаяся с Сибири, а волна создаваемая подводными или надводными водоворотами, вращаемые ветрами и впадающими в бухты Белого моря реками. Порой в Белом море приливы и отливы в некоторых местах таинственно исчезают, на целую неделю.. Если бы в Черном море сушествовали водовороты как и в Белом море, то приливы и отливы были бы более значительней... Поверхность Земли вращается относительно Луны со скоростью около 1500км. в час. И если допустить что приливной горб всегда направлен в сторону Луны, то волна высотой 0,5метров и шириной 25км. движущаяся со сверхзвуковой скоростью, выравняла бы все континенты. А движения приливного горба с меньшей скоростью, допустить не возможно, тогда горб будет вращаться, в сторону врашения Земли, независимо от тяготения Луны... ОТЗЫВЫ НА ГИПОТЕЗУ: Пивоваров В И. http://fizika97.narod.ru/news/besedy_o_sushhnosti_fiziki_polja_beseda_11/2013-06-19-12 Мысль очень интересная. Водовороты, конечно же, существуют. Понятно и то, что они прецессируют. Это ясно без доказательства. Эти колебания просто обязаны создавать волны. Причём, именно в виде солитонов с огромной длиной волны. По-моему, вполне приемлимоеь объяснение приливов. Поздравляю, ибо до сих пор приливам нет достойного объяснения. И ещё. Столкновение длинноволновых солитонов вполне может привести к коротковолновым цунами. По-моему, и тут Вы правы.... Форум-"Гипотеза: Приливы и отливы. Волны убийцы.Солитоны". http://x-faq.ru/index.php?topic=3038.0 . "Безопорный движитель"-YouTube. http://www.youtube.com/watch? v=Cdswu5cSM4k&app=desktop

Имя *:
Email *:
Код *:
Поиск
Друзья сайта
  • Официальный блог
  • Сообщество uCoz
  • FAQ по системе
  • Инструкции для uCoz

  • Бесплатный хостинг uCoz