В предыдущей статье "Динамика газовых сред на пальцах. Часть 1. Первичные понятия и газовые слои." мы рассмотрели возможность образования газовых слоёв.
В этой же статье я хочу затронуть, как видно из названия, их взаимодействие.
Данная работа важна для понимания, как образовываются вихри в газе (впрочем это справедливо и для жидкостей с рядом определённых допущений).
Как мы помним, струя газа - это однонаправленное движение частиц газа (в среднем направление движения частиц происходит в направлении движения струи, но у каждой частицы своё собственное направление движения, направление проекции которого на направление движения струи имеет такое же направление, что и направление движения струи).
Как видим из рисунка, проекция направления движения частицы на направление движения струи меньше или равно модулю движения частицы.
Итак, рассмотрим несколько вариантов взаимодействия двух газовых струй.
Рассмотрим следующие варианты столкновения:
- точно в "лоб";
- сбоку под углом;
- в "лоб" под углом.
1. Когда образовавшиеся струи встречаются в "лоб", то направление их движения противоположны.
Это означает, что частицы, из которых состоят струи будут сталкиваться с частицами другого слоя тоже почти "лоб в лоб", что приведёт к следующему механизму взаимодействия.
Встречные потоки частиц будут расталкиваться в разных направлениях от точки столкновения.
Таким образом оба потока будут разрушены, перейдя в общую массу внешнего газа.
2. Рассмотрим другой вариант, когда одна из струй попадает сбоку в другую струю.
Как видно из рисунка, одна струя преграждает движение другой.
Как видим из рисунка, струя, которая попадает в бок другой начинает разрушаться. Отскакивающие от частиц другой струи частицы встречают сопротивление частиц своей же струи, движущиеся сзади.
Другая же струя начинает разваливаться на две части. Задняя разрушается. А передняя ускоряется, приобретая дополнительное ускорение и расширяется.
3. И третий случай, когда струи сталкиваются под углом.
Как видно из рисунка, это столкновение очень похоже на столкновение точно в "лоб", но есть одно "но".
Частицы струй встречных направлений, те которые дальше от центральной линии столкновения теряют скорость движения значительно меньше, чем близкие к этой линии. Это означает, что обе струи начинают "отворачиваться" друг от друга.
Или другими словами, эти струи ведут себя не как скопище множества частиц, а как единое целое и значит при таком столкновении они как бы "отскочат" друг от друга под определённым углом, зависящим от угла столкновения.
Но это ещё не всё.
Струи находятся не в пустоте, а газовой среде, той же самой, из которой они же и состоят, но с движущимися хаотично частицами. Это означает, что отразившиеся струи вынуждены будут с этой средой взаимодействовать, расталкивая её и постепенно закручиваясь.
Таким образом, при столкновении под углом движущихся газовых слоёв происходит их отклонение в сторону наименьшего сопротивления со столкновением со внешней средой.
Более того, в силу того, что пространство где ранее была струя, освобождается и давление в этом месте локально уменьшается, внешняя среда будет возвращать слой движущегося газа обратно на своё прежнее место.
Таким образом происходит завихрение слоя движущегося газа в вихрь.
При этом при той же скорости движения струи, её размер, за счёт давления внешней среды уменьшается. Т.е. вихрь начинает уплотнятся, а его угловая скорость вращения увеличиваться.
Это будет продолжаться до тех пор, пока внешнее давление газа среды не уравновесит давление со стороны стенок вихря.
В дальнейшем вихри распадаются, кроме случаев тороидальной формы вихрей.
Вот в таком виде мы рассмотрели взаимодействие газовых слоёв при их столкновении.