Поводом для написания данной статьи послужило две причины.
Первая и главная - эта статья как бы ступенька для понимания в будущих, надеюсь, статьях об структуре элементарных частиц.
Но невольно об этом же (о циклоне, как варианте воздушного вихря) разговор зашёл и в комментариях в одной из статей блога "Замалчиваемая история." Речь шла о мгновенно застывших мамонтах.
Так что такое вихрь?
Если зайти в интернет и поискать, то в большинстве своём (нас будет интересовать только природные вихри) это круговое движение воздуха или воды, ну или вращающиеся элементы объёма вещества.
Действительно, вихрь - это некое вещество, которое вращается в неком ограниченном объёме.
Я думаю все хотя бы раз видели подобные вихри.
Я не буду подробно объяснять с формулами, как это происходит - кому интересно, найдут.
Скажу только кратко следующее.
Вихри могут появиться только в той среде, где частицы материи не связаны между собой какими-либо способами.
Например, в твёрдом теле связи в кристаллической решётке не дают молекулам перемещаться свободно, а значит вихрей не появиться.
В воде (при температуре выше 0 градусов Цельсия) и в воздухе нет кристаллических связей, а значит возникновение вихрей возможно.
Теперь кратко разберём возникновение вихрей.
Если две подвижные массы материи сталкиваются или как вариант, одна подвижная масса материи сталкивается с неподвижным препятствием, то при взаимодействии возникают струи материи, которые направлены в разные стороны.
В силу того, что вокруг находиться такая же неподвижная среда, но большего объёма и массы, эти отражённые струи начинают также отталкиваться от неподвижной материи снова и снова в одном и том же направлении и как результат - получается завихрение этой струи. Т.е. получается вихрь.
Таким образом, пока сила трения между слоями материи не поглотит энергию движения струи материи, вихрь будет вращаться. А потом распадётся.
Но есть два больших НО в этой истории.
Утверждение, представленное выше верно, если,
- Первое, такой вихрь не получает подпитки энергии из вне.
- И второе, если он не меняет своей формы.
Но в природе это не так. В природе всегда есть возможность получать энергию вихрю из внешней среды.
Дело в том, что когда струи материи закручиваются, то давление внутри такого вихря падает в силу самого движения. И чем быстрее вращение, тем меньше давление внутри вихря.
Все помнят эксперимент с двумя листами бумаги? Если дунуть между ними, то они будут притягиваться друг к другу из-за разницы давлений снаружи и между листами.
Тоже самое происходит и с вихрем.
Кстати, чем выше температура окружающей среды, тем выше её давление.
Внешнее давление начинает сжимать вихрь, пытаясь уменьшить его в размерах.
И тут в игру вступает другой физический эффект.
Все помнят фигуристку, которая, если сложит руки, начинает крутиться быстрее. Кому интересно подробнее - здесь.
Раз размер вихря уменьшается от внешнего давления, то скорость вращения (угловая) увеличивается, что в свою очередь ведёт к уменьшению давления внутри вихря, новому сжатию и т.д.
Это происходит до тех пор, пока центробежная сила не уравновесит внешнее давление и сжатие вихря прекратиться.
Такие вихри могли бы существовать достаточно долго. Но опять вступает в действие внешняя среда.
На картинках, представленных выше и то представление, которое мы имеем о вихрях, всегда вихрь выглядит, как двумерная структура. Т.е. вращается вокруг прямой оси.
Это означает, что на обоих концах вихря существует возможность также всасывания материи, что мы и наблюдаем, когда ураган засасывает внутрь себя различные предметы и даже целые дома.
Но это и приводит в конце концов к разрушению вихря, когда через не замкнутые концы его происходит выравнивание давлений.
Кстати, в приграничных слоях вихря происходит значительное снижение температуры среды из-за падения вязкости среды в этом слое. И чем выше скорость вращения вихря, тем ниже вязкость приграничных слоёв (внешнего и внутреннего), и тем ниже температура в этом слое.
Это доказано экспериментально. Например, оледенение поверхности крыльев летящего самолёта. Это к слову о мамонтах, упомянутых выше.
Кому интересно ознакомиться более детально с формулами - вот здесь.
А теперь представим, что оба конца смерча замкнулись. То получается вихревое кольцо.
Но такое кольцо будет не устойчиво из-за всё того же внешнего давления и распадётся, если только не случиться следующее явление - само кольцо тоже будет вращаться.
Тогда, как уже было представлено выше, со временем центробежный силы уравновесят внешнее давление и такое кольцо будет устойчиво.
Такое кольцо называется Тор или Тороидальный вихрь — явление, при котором область вращающейся жидкости или газа перемещается через ту же самую или другую область жидкости или газа, когда картина течения принимает форму тороида или форму бублика.
В этом вихре частицы материи вращаются в двух направлениях:
- по большому кольцу;
- по малому кольцу.
Подобные тороидальные вихри - это единственный стабильный вид вихрей в природе.
Таким образом, я в этой статье рассмотрел требуемые мне для будущих статей физические принципы образования вихрей, в том числе и стабильных.
Как то так.
P.S. Более подробно об образовании вихрей, в том числе и тороидальных рассказано в книге Владимира Акимовича Ацюковского "Общая эфиродинамика. Моделирование структур вещества и полей на основе представлений о газоподобном эфире".