|
Почему вихревое кольцо летит далеко, а воздушный шар нет?
А сколько загадок таит и такое всем известное явление, как дымовые колечки, которые иногда пускают опытные курильщики! Задумывались ли вы когда нибудь, почему эти колечки летят так далеко, а вот задуть свечу на таком расстоянии вам вряд ли удастся...
Дымовые кольца известны давно. Это своеобразное и сравнительно легко наблюдаемое гидродинамическое явление привлекало и привлекает внимание многих исследователей. Интерес к нему связан, с одной стороны, с трудностями физического и математического характера, возникающими при попытке создать теорию этого явления, и, с другой стороны, с возможностью его использования для объяснения ряда загадочных явлений в морях, океанах и атмосфере.
В чем сущность этого явления?
Если обычному воздушному шарику в резиновой оболочке сообщить скорость 5 — 10 метров в секунду, он пролетит расстояние всего 1 — 2 метра. В то же время хорошо известно, что если с той же скоростью кинуть (например, вытолкнуть поршнем из трубки) такую же массу воздуха без оболочки, она пройдет расстояние в 10 — 15 раз больше.
Классический способ образования вихревых колец состоит в следующем: в верхней крышке коробки с эластичным дном делается отверстие, диаметр которого меньше, чем размеры коробки. К отверстию могут прикрепляться насадки в виде сопел различной формы. Коробка наполняется дымом. Если теперь ударить по эластичному дну, из отверстия вылетает порция дыма. Таким образом получают вихревые кольца, радиус которых порядка 10—20 сантиметров и скорость — около 10—15 метров в секунду, в зависимости от диаметра отверстия и силы удара. Я часто воспроизводил опыты и с воздушным шариком, и с дымовыми кольцами, когда читал вступительную лекцию "для учеников" летней физико-математической школы в новосибирском академгородке.
Вихревые кольца гораздо большего размера (радиусом до 2 метров) и большей скорости (до 100 метров в секунду) можно получить с помощью взрывчатых веществ. В баке или в трубе, закрытой с одного конца, производится подрыв заряда, расположенного у дна. Вихревое кольцо, получаемое при подрыве заряда весом около 1 килограмма в баке радиусом 2 метра, проходит расстояние свыше 500 метров, причем вылетает оно с характерным свистом, похожим па шум реактивного самолета. Мы делали такие опыты, уединившись для этого на одном из необитаемых островов Обского моря (водохранилища Новосибирской ГЭС). Белое дымовое кольцо быстро взмывало и исчезало в небе. Я думаю, что многие, кто наблюдал его издали, до сих нор пребывают в уверенности, что видели «летающую тарелку»...
Почему же все-таки вихревое кольцо летит далеко, а воздушный шар нет?
Дело в том, что воздух в шаре отгорожен от воздуха, в котором он движется, шар летит как твердое тело, и силы сопротивления быстро тормозят его движение. Совсем иначе обстоит дело с порцией дыма или воздуха, вытолкнутого из отверстия или из бака. Периферийные ее слои тормозятся окружающим неподвижным воздухом, а центральная часть этой струи движется быстрее. Тут-то эта движущаяся порция дыма и принимает форму вихревого кольца. У такого кольца сопротивление значительно меньше, примерно так же, как легче катить бревно, чем тащить его волоком.
Интерес к проблеме вихревых колец сильно возрос после появления атомных бомб, при взрыве которых образуется характерное грибовидное облако, структура которого аналогична структуре вихревого кольца. Такое облако с большой скоростью поднимается на высоту свыше десятка километров.
Источник. Лаврентьев М.А. "Приростать будет Сибирью". М.: Молодая гвардия, 1980.с.152-153.