17
О вихревых колых
Как можно получить водяные и воздуханые вихревые колыса в лабораторных условиях? Какими свойствами они обладают? Возможно ли взаимодействие колцес с прерадами и между собой? На эти и многие другие аналогичные вопросы вы получите ответ, пройти предлагаемую статью.
Авторы статьи, еще будучи школьниками, обнаружили много интересных эффектов и особенностей поведения вихревых колцес. Почти все им удалось качественно обьясить.
Образование вихревых колцес
Для получения вLABораторных условиях вихревей в воздухе мы пользовались аппаратом Тэта (рис. 1). Он представляет собой цилиндр, один торц которого (memбрана) затягут каким-нибудь пругугм материалом(например, кожей), а в другом имеет круглое отверстие (диафрагма).
Внутри цилиндра находится два сосуда: один — с соляной кислотой (HCl), другой — с нашатырьным спиртом (NH₄OH). В результате в цилиндр
дре образуется густой туман (дым) из частичек хлористого амmonия (нашаатыря NH₄Cl).
Ударя по_memбране, мы сообщаем неоктору скорость приложающему к_memбране слово дыма. Придя в движение, этот слой вызовет уплотнение соседнего слоя, тот — следующее и так далее. Когда уплотнение doit до диафрагмы, дым вырвется из отверстия, приведет в движение ранее поконвшийся воздух и, благодаря слиам вззкого трения, сам закрутится в дымовой колцо.
Может быть, в образованнии вихревых колцес главную роль играют стратвердения? Проверим это. Вместо обычной диафрагмы поставим в аппарате Тэта решено. Если наша гипотеза верна, должно получиться много маленьких колцес. Однако опыт показывает, что это не так, — образуется одно большое вихревое колццо (рис. 2).
Очень важно, чтобы дым из аппарата выходил отдельными порциями, а не непрерывной струей. Если_memбрану заменить поршнем и перемешать его, из отверстия вместе колцес появится непрерывная струя дыма.
Вихри в воде можно получить с помощью объкновенной пипетки и чернил. Набрав в пипетку чернил, нужно их капать с высоты 2—3 см в аквариум с хорошего устоявшейся водой (в котором нет конвекционных потоков). В произвольной воде хорошего устоявшейся чернильные колцца (рис. 3).
Можно сделать немного по-друго-му: выпустить струю чернил из пипетки прямо в воду (рис. 4). В этом случае вихревые колцца получаются несколько больших размеров.
Рис. 1. Рис. 2
2 «Квант» № 11
18
Природа образования вихревых колцел в воде — такая же, как в воддухе; поведение чернил в воде аналогично поведению дыма в воддухе. В обихх случаях главную роль играют силы вязкого треня. (Правда, опыты показывают, что полная аналогия имеет место лишь в первый момент после образования вихрей. В дальнейшем поведение вихрей в воде и воддух оказывается различным.)
Движение среды вокруг вихревых колцел
Что происходит с окружающей средой после того, как образование вихрь? Ответить на этот вопрос нам помогли соответствующие опыты.
На расстоянии 2—3 м от аппарата Тэта поставим зажженную свечу. Дымовое колцело пустим с таким расчетом, чтобы оно не врезалось в пламя свечи, а прошло рядом. Пlamя либо погаснет, либо будет очень сильно колыхаться. Это говорит о том, что движется не только видимая часть колца, но и слой воздуха, прилегающие к колцу.
Как же они движутся? Возьмем две трипочки, одну смочим соляной кислотой, другую — нашатырьим спиртом и подвеским их на расстоянии
Рис. 3.
Рис. 4.
Рис. 5.
18
20
мерное расширение всего внешнего колыца.
Если же плоскость наклонить под некоторым углом к первоначальному положению, вихрь, налетая на плоскость, будет отталкивать от нее (рис. 8). Этот факт можно объяснить возникновением области повышенного давления в пространстве между колыцом и плоскостью.
Взаимодействие колец
Бесспорно, самыми интересными оказывается опыты по изучению взаимодействия внешних колес. Мы проводили эксперименты с колцами и в воде, и в воздухе.
Пусть каплю чернил с высоты 1—2 см в сосуд с водой, а через секунд пусть еще одну каплю, но уже с высоты 2—3 см. В сосуд образуется два вихря, движущиеся с разными скоростями: второй — быстрее, чем первый (). Когда колца оказывается на одной высоте, они начнут взаимодействовать друг с другом.
Оказывается, возможно три случая. Первый случай — второе колюц обгорает первое, не задевая его (рис. 9, a). При этом происходит следующие. Во-первых, потоки воды от обонх колцек как бы отталкивают колца друг от друга. Во-вторых, обнаруживается переatok чернил с первоюю колца на второе: водяные потоки второго колца более интенсивны, они и увлекают чернила за собой. Иногда часть этих чернил проходит через второе колюц, что влечет за собой образование нового небольшого колца. Затем колца начинают делаться, дальше ничего интересного нам заметить не удалось.
Второй случай — колюц 2 при обгорете задевает колцо 1 (рис. 9, б). В результате более интенсивные потоки второго колца разрушают первое. Как правило, из оставшегося от первого колца сгустка чернил образуется новые маленькие винри.
Рис. 9.