Прошу прощения у моих постоянных читателей за большой перерыв в публикациях. Процесс написания статей - немного творческий, и для этого необходимо вполне определенное "состояние души". Заниматься этим, как работой и писать через силу можно, если канал коммерческий, или создан в целях борьбы "за аполлуниаду" или "против аполлуниады" - но это не мой путь. Пишу "из любви к искусству", потому творческие застои - обычное явление.
Некоторое время назад был небольшой "пост".
В нем была задачка про чаинки в центре стакана (и частички сахара, как более тяжелые и плотные - хотя про них вопроса на было, было в комментариях/обсуждениях).
Почему при размешивании сахара они, чаинки, собираются в центре стакана?
Читатели и подписчики, по моей просьбе, на этот вопрос отвечали. Своей головой, не пользуясь поиском в инете. В основном, по моему мнению, близко к истине - показатель собравшегося думающего общества. Процитирую некоторые ответы:
Алексей Н
"Окружная скорость вдоль стенок выше. Формально это снижает давление, а чаинки должны прижаться к стенкам. Хотя в размерах стакана этим можно пренебречь.
Но тут я предположу, что вступает в работу конвекция - горячий чай поднимается вверх. Вдоль стенок объем жидкости больше - образуется круговое движение от стенок к центру. И оно переигрывает первый фактор окружной скорости."
Шевцов Олег
"Угловая скорость тем выше, чем дальше от центра сосуда. Чем скорость выше, тем выше давление. Самое низкое давление в сосуде в центре, там скорость самая низкая. Тяжелые частицы выталкивает давлением от стенок сосуда в центр.
Сила выталкивания заставляет частицы стремиться на поверхность. Создаваемая вращением воронка препятствует этому. Сила воронки выше, чем выше скорость вращения. И частицы находятся ближе к дну сосуда. С падением скорости вращения , сила выталкивания превосходит силу воронки , и частицы всплывают."
Юрий Таблин
"Центростремительное ускорение отбрасывает воду на вертикальные стенки. Давление воды у стенок возрастает. Выше давление - выше водяной столб в сосуде. Как в ртутном термометре. На поверхности образуется воронка. Чаинки скатываются по наклонной поверхности вниз. Но большее влияние оказывает то, что их выдавливает в центр. В область с низким давлением (ведь они плавают по поверхности).
Тогда песок должен скапливаться по краям, а не собираться в кучку на дне. Надо попробовать."
Андрей Козлов
"Да повышением давления это объяснить нельзя, ведь чаинки тонут а значит тяжелее воды.
Остается ,методом исключения, только разность скоростей потоков жидкостей.
Можно представить что это ветер дует и у земли он сильнее чем вверху и он поднимает упавшие листья с деревьев вверх - картина которую часто наблюдали - сильный ветер поднимает пыль и песок вверх.
При движении по кругу эффект еще больше - получаем торнадо, которое засасывает в себя целые деревья и автомобили."
Были ответы, сказанные и не особо думая, например,
Николаев Николай
"Почему? - Различная плотность. На этом принципе основано центрифугирование."
Остальные ответы можете посмотреть по ссылке. Виктор Лактюхин провел неплохую аналогию с затягиванием в водоворот.
Как все это с точки зрения классической гидро- и аэродинамики?
Чай в стакане - не идеальная жидкость. Идеальная жидкость - несжимаема и не имеет вязкости. Но имеет плотность.
Вода (или чай в стакане) - практически несжимаема - этим она близка к идеальной жидкости - но имеет вязкость.
Размешивая чай в стакане мы придаем содержащейся жидкости вращательное движение. Пока процесс размешивания идет, движение жидкости, при общем вращательном преобладании, имеет сложное и трудно описываемое движение. Но после прекращения воздействия движение стабилизируется.
После завершения переходного процесса мы имеем вращательное движение жидкости. Так как есть вязкость, то дно и стенки оказывают тормозящее действие на жидкость. Получаем в поперечном сечении примерно такую картину:
Общее вращательное движение жидкости. У стенок скорость уменьшается до нуля, из за вязкого трения. К центру тангенциальная скорость (которая, собственно, образует вращение) возрастает до максимума.
В соответствии с законом Бернулли, полное давление есть сумма статического и динамического давления, и в любой точке поверхности или объема равного энергетического потенциала эта величина постоянна.
У стенок скорость минимальна, статическое давление максимальное. В центре - наоборот. Это порождает вторичное течение жидкости от стенок к центру. Вот это вторичное течение и собирает чаинки в центре стакана. Вторичное течение имеет значительно меньшую скорость - на порядок или больше - нежели тангенциальное, потому просто так оно не обнаруживается. То, что нам показывают в мультиках, в принципе верно, по качественной картинке, но не по количественной.
Порожденное вторичное движение жидкости имеет форму "выворачивающегося бублика". Причем движение именно от дна (у которого есть торможение) к верхней свободной поверхности (у которой торможения практически нет).
Если бы вращение жидкости было в бесконечной ровной трубе, то перепад статического давления так же наблюдался бы, но никакого вторичного течения не получалось бы.
Теперь посмотрим на такую картинку:
И сравним ее с первой - есть ли у них что то общее?
В первом случае - это чай в стакане с чаинками, в последнем - камера сгорания турбореактивного двигателя?
Как ни странно - есть. Общее - это "выворачивающийся бублик", в зоне горения камеры сгорания. Только вторичное движение идет наоборот - по периферии вперед, по центру назад, к форсунке. Продукты сгорания с высокой температурой возвращаются навстречу распыляемому жидкому топливу, интенсифицируя процесс испарения, смешения и собственно, горения.
Движущей силой "выворачивающегося бублика" в данном случае является закрутка потока первичного воздуха на лопатках 5 - это тангенциальное движение, по касательной, и нормальная или радиальная подача вторичного воздуха через отверстия в жаровом корпусе.
Самый большой "выворачивающийся бублик, в земных условиях - это циклоны:
или их разновидность - тропические ураганы. На востоке их называют тайфунами:
Аналогия с чаем в стакане (и КС ТРД) есть, но несколько опосредованная. В стакане вращение первично, порождает вторичное движение с подъемом по центру вращения. В тропическом урагане подъем теплого воздуха и его движение к центру первично, а вращательное движение порождается как раз этим.
Наши фронтальные циклоны - что то среднее между одним и вторым.
Образуется на границе воздушных масс, движущихся с различными скоростями - в зоне полярного фронта, который летом поднимается до Архангельска, а зимой откатывается до Крыма
а уже затем "в подмогу" получает теплый воздух, поднимающийся вверх.
Водоворот на поверхности воды, а если вернее, на границе водных масс с разной скоростью - той же природы.
Только не путать с водоворотом, который образуется на водосбросах. Там затягивает в себя все и вся. Те водовороты, которые на приведенной фотографии, или на следующей
могут затягивать (вниз), могут выталкивать (вверх), могут быть нейтральны своим вертикальным движением. Это все очень сильно зависит от конфигурации берега, относительно которого они образуются, и рельефа дна.
Но опасными являются те, которые имеют на поверхности чётко видную воронку. Не имея стенок, как у стакана с чаем, они, эти водовороты, имеют возможность расширятся, захватывая дополнительные массы воды и иметь более сложную систему вторичных течений. Но основное - это вращательное движение на поверхности вода, вторичное движение к центру воронки, вертикальное движение по центру сверху вниз и растекание внизу в стороны и последующий подъем вверх.
Ну и стоит упомянуть "двигатель Шауберга" - непонятная, но любопытная информация:
Всерьез это не рассматриваю, но есть много интересных моментов, связанных с вихревым движением и "выворачивающимся бубликом".
И есть еще разновидность "выворачивающегося бублика" без вращательного движения. Или практически без вращательного движения.
Это термик - восходящий поток теплого воздуха:
Чем интересно подобное образование в газах и жидкостях - минимальное воздействие с окружающей средой. Скорость движения термика (подъем) и скорость вращательного движения тора равны между собой, в результате чего получается этакий "газовый подшипник", который прокатывается почти без торможения об окружающий воздух, и минимально с ним перемешивается.
Запуск дымовых колец - визуализация подобного эффекта.
Наибольшие из подобных генераторов вихрей запускают кольца (не обязательно подкрашенные дымом) метрового размера на расстояния в десятки метров и сдвигающие на этом расстоянии картонные коробки.
Вернемся к нашим вопросам.
Реальные газы и жидкости обладают вязкостью и сжимаемостью и картина обтекания тел или взаимодействия струи газов с поверхностью отличаются от идеальной картины, показываемой нам уравнением Бернулли для идеальной жидкости.
Вязкость дает трение о поверхность. Скорость непосредственно у поверхности равна нулю.
На некотором расстоянии R от поверхности скорость достигает величины скорости невозмущенного потока. Этот слой толщиной R и есть пограничный слой.
Его величина может составлять доли миллиметра или миллиметры на передних кромках крыла самолета, а может иметь величину больше километра, при взаимодействии движущейся воздушной массы с земной поверхностью.
Если на поверхности, относительно которой движется поток газов, есть свободно лежащая частица, то поток оказывает на нее силовое воздействие. Скоростной напор, на площадь поперечного сечения и некий коэффициент. А удерживается частица на поверхности силой тяжести и порождаемой ей силой трения.
Чем больше частица, тем труднее ее сдуть - действует куб-квадрат. Площадь поперечного сечения и сила воздействия потока пропорциональна площади поперечного сечения, а он квадрату линейного размера. Сила удерживающая частицу - пропорциональна весу, а он в свою очередь, массе частицы. Масса - объем на плотность, объем - куб линейного размера. Большая частица более устойчива к воздействию потока. Но тут вступает в действие погранслой. Маленькая частица может в него "спрятаться" и остаться на месте, в то время как большую частице поток сдует.
На начальном этапе развития авиации, когда скорости были сравнительно небольшие, на уровне 200-300 км/ч, было много любопытных наблюдений погранслоя, вернее его эффектов. Скорость больше скорости сильнейшего урагана, который валит деревья, разрушает дома, а на верхней поверхности крыла сидит муравей или другая букашка и ее никуда не сдувает - спряталась в погранслое.
Рассмотрение реального тела, ограниченной протяженности, в потоке газа дает более сложную картину погранслоя - у него переменная толщина и различный тип обтекания:
Если мы вновь взглянем на картину взаимодействия сверхзвуковой струи с плоской поверхностью, которую в свое время привел в пример Ник Орлов
то не вдаваясь глубоко в подробности, тем не менее увидим, что в погранслой наблюдается и в этом случае. И скорость непосредственно у самой поверхности так же равна нулю - физика везде одна.
Для борьбы с пограничным слоем на воздухозаборниках сверхзвуковых самолетов приходится идти на самые различные ухищрения
такие как слив или отсос погранслоя, в противном случае это значительно ухудшает подачу воздуха к двигателю.
На этом обсуждение вопросов дозвуковой и сврерхзвуковой аэродинамики пока закончим, продолжение будет в следующей части.
И небольшое дополнение. Название моего канала - ТТТ - сформировалось на основе различных причин, сейчас уже неактуальных. Но менять название не вижу смысла. В комментариях на каналах других авторов я фигурирую как Владимир Еськов. В кратком описании моего канала ТТТ я так же представляюсь своим настоящим именем.
Тем удивительнее очень агрессивная реакция разнообразных "немогликов" на мои критические комментарии на каналах других авторов, например Леонида Коновалова. В его статье "123. Сколько времени Алан Шепард лежал вверх ногами?" есть ссылки на мою статью близкого содержания. Пообщавшись в комментариях к этой статье с различными завсегдатаями, "моликами" и "немогликами", я все более и более скептически отношусь к интеллектуальному уровню последних. Ранее я приводил такую симмитричную, относительно оси Y, картинку:
Сейчас уже сомневаюсь в ее симметричности.
