Я во множестве своих статей говорю об одном и том же, всё, что рождено природой, всё, что мы видим - это в той или иной степени вихри материи.
- Протон - тороидальный вихрь эфира.
- Смерч - воздушный вихрь.
- Водоворот - вихрь из воды.
- Циклон - огромный воздушный вихрь.
- Солнечная система - вихрь из обычной материи и эфира.
- Галактика - аналогично звёздной системе.
И т.д.
Но как он возникает этот вихрь.
Да, в статье "Вихрь" я достаточно подробно рассказал механизм возникновения вихря.
Но там не приведена первопричина возникновения этого явления.
Множество споров ведётся, как в научных кругах, так и на просторах интернета, а кто всё создал.
Я не буду ввязываться в эту дискуссию, но попробую рассказать, кто создаёт вихри.
Любому человеку не очень сразу понятно, вот был спокойных воздух и вдруг раз, и подул ветер. Ветер усилился, и вот тебе смерч, весьма опасное явление.
Раньше утверждали, что всё это создаёт бог, или боги. Но современному человеку, даже если он достаточно набожный, такое объяснение не подходит.
Поэтому для начала вспомним, что такое воздух? Это газ.
Когда воздух неподвижен, то мы его даже не замечаем, хоть и дышим им.
Но газ состоит из огромного множества молекул различных газов (в основном азота и кислорода). Молекулы весьма маленькие.
В Природе не бывает ничего абсолютного по отношению к ограниченным объектам.
Это означает, что молекулы, из которых состоит воздух всегда движутся. И движутся хаотично.
Наверно каждый слышал такое словосочетание - "Броуновское движение".
Все эти молекулы движутся хаотично или беспорядочно.
Но если посмотреть в целом, из-за слишком мелких размеров этих молекул, мы не ощущаем этого движения, а значит нам кажется, что воздух недвижим.
Отметим следующий факт.
Если поместить в газ любое тело, то молекулы газа всегда будут сталкиваться с этим телом, передавая механическую энергию своего движения этому телу.
Т.е. газ как бы будет оказывать давление на это тело. Но так как газ воздействует на тело со всех сторон, то суммарно, вся полученная механическая энергия тела будет скомпенсирована.
Тоже самое можно сказать, что если в газ поместить не твёрдое тело, а жидкость или даже газ. В любом случае внешний газ будет оказывать из-за броуновского движения некое давление на привнесённое тело.
Но теперь нужен ещё один вопрос философского плана, а кто всё это начал. Откуда имеется перво движение.
Понятно, что мы на него тоже не ответим (в этой статье), но можно заметить следующее.
Несмотря на броуновское (хаотическое) движение газа, всё-таки распределение механической энергии его молекул не одинаковое, а гаусовское или нормальное.
Т.е. наибольшее число молекул газа движется примерно со средней энергией. Но есть небольшая часть молекул, которые могут двигаться как со значительно меньшей, так и со значительно большей механической энергией, относительно "общей температуры по больнице".
Отсюда видно, что в какой-то момент возможна ситуация, когда несколько молекул одновременно могут начать двигаться в одном направлении, да ещё и со значительными энергиями, таким образом локально в одном месте как бы создавать большую плотность молекул газа, а в другой области (откуда они улетели) меньшую плотность.
В результате мы получаем, что в одном месте локально давление газа больше, а в другом - меньше, чем в среднем по всему большому объёму газа.
Вот как раз это тот случай зарождения различных процессов в Природе. То, что их создаёт.
А дальше всё просто.
Ушедшие молекулы (или другие) потеряв своё первоначальное направление движения и механическую энергию при столкновении с внешними молекулами, будут отброшены обратно.
Так как пространство должно быть свободно, то ничто не должно было бы мешать им вернуться. Но не тут то было.
В других частях газа найдутся какие-то молекулы, у которых направление движения так же направлено в сторону освободившегося места. И в результате, в прежнем месте с малой плотностью молекул образуется обратная ситуация - область с повышенной плотностью, а значит повышенным давлением газа.
Дальше есть два пути.
Или эти колебания плотности и давления затухнут (чаще всего) или они могут усилиться, что мало вероятно, но если это произойдёт, то начнутся возрастающие колебания плотности газа, сопровождаемые потоками (струями) газа в определённых направлениях.
И в какой-то момент эти потоки могут отклониться от направления колебаний, столкнувшись с внешними массами газа.
И дальше всё произойдёт, как описано в упомянутой выше статье и показано на картинке
Так как струя перемещается во внешней среде, пусть и того же самого газа, в силу вязкости газа, часть струи, которая соприкасается с внешней средой тормозиться быстрее, чем внутренние части.
Таким образом, происходит как бы уменьшение размеров струи, да ещё и её попутное закручивание, в силу того, что внешнее давление одинаково со всех сторон.
Согласно закону Бернули, в уменьшившейся струе, при одном и том же внешнем давлении, внутренне давление ослабевает, а значит скорость движения газа в струе увеличивается.
Таким образом, внешняя среда, однажды появившийся поток газа, закручивает и сжимает, увеличивая скорость движения потока.
Следует также напомнить, что чем быстрее движется струя газа, тем вязкость между ней и внешней средой уменьшается, а значит уменьшаются энергетические потери.
Собственно всё. Процесс завихрения запустился.
Другими словами, появление пониженного давления в определённой области газа приводит к стремлению материи занять освободившееся пространство.
Движущей силой этого стремления - внешнее давление.
Это приводит к колебаниям плотности и давления газа в указанной области.
Любое, даже маленькое нарушение равновесия в движении к центру пониженного давления приводит к закручиванию в вихрь.
Из опытных фактов мы знаем, что любое направленное движение в газе (например, струи газа) приводит к понижению давления рядом, а значит внешнее давление газа будет пытаться сжать его.
И вот тут мы приводим к следующим важным моментам.
Вихрь движется по круговой траектории.
Движение тела по круговой траектории требует постоянного действия силы, называемой центростремительной, которая постоянно направлена к центру окружности, чтобы изменять направление скорости тела и поддерживать его движение по кругу.
Без этой силы тело двигалось бы по прямой, по касательной к окружности.
Если мы раскручиваем грузик на верёвке, то центробежную силу, которая пытается вывести тело с кругового движения, компенсирует центростремительная сила, которая в данном случае является силой упругости верёвки.
В газе же этой центростремительной силой является сила давления внешнего газа.
В отличие от жидкости или твёрдого тела, газ представляет собой молекулы, расположенные между собой на расстоянии.
Чем выше скорость газа (струи газа) в определённом направлении, тем меньше средняя скорость по другим направлениям.
Это означает, что при том же внешнем давлении газа, движущаяся струя газа будет сжиматься под этим внешним давлением, как было сказано выше.
И чем выше скорость движения струи, тем больше сжимается струя и тем больше скорость движения этой струи газа.
Этот процесс сжатия и ускорения струи будет происходить до тех пор, пока не произойдёт динамическое равновесие в этом процессе.
На рисунке хорошо видно сжатие струи и увеличение скорости её движения при равновесном процессе.
Могу предположить, что так как давление газа связано с температурой и средним расстоянием свободного пробега, которое проходят молекулы газа, то равновесное состояние возникнет тогда, когда размеры сжимающегося вихря будут соизмеряться с расстоянием свободного пробега молекул.
Таким образом мы рассмотрели механизмы образования вихря.
Причём, несмотря на то, что я рассматривал это на примере обычного воздуха, на самом деле это всё работает совершенно также для любого газа. Разница только в параметрах (давлениях, температурах, скоростях и расстоянии свободного пробега частиц).
***
Перед тем, как закончить с этим вопросом, хотелось бы рассмотреть ещё одну интересную деталь данного процесса.
Уже достаточно давно я выложил одно простое короткое видео.
Суть опыта такова. В кастрюльку с водой я бросил немного соды и чаинок, после чего раскрутил воду.
Как известно, любой процесс не может быть вечным, а значит и вихрь со временем или распадётся, или остановится.
В нашем опыте кастрюлька являлась внешней средой, которая постепенно тормозила воду из-за трения (вязкости).
После того, как раскручивать воду перестали, установился стационарный процесс, без подпитки энергией из внешней среды.
Сама кастрюлька, хоть и является внешней средой, но играет роль только удержания, а сжимать не в состоянии, т.к. является твёрдым телом.
По мере уменьшения скорости вращения, сначала в центре собралась сода, как более тяжёлая и плотная. А потом и чаинки постепенно собрались в центре.
Так же следует отметить, что внешние слои воды вращались из-за трения медленнее, чем внутренние, что внешние чаинки запаздывали во вращении по сравнению с теми, которые были ближе к оси вращения.
Т.е. вода как бы разделилась на несколько слоёв. А чаинки плавали в этих слоях с разной скоростью.
Данный процесс явно напоминает другой нам известный процесс!
С другой стороны, при постепенной остановке вихря, получалось как бы концентрация соды и чаинок в центре.
Причём, скорость концентрация вещества в центре зависит от массы вещества и скорости вращения вихря.
Чем выше скорость вихря и выше масса масса вещества, тем оно быстрее сконцентрируется.
Сода собралась в центре почти сразу, а чаинки позже.
Эту деталь вихревых процессов также необходимо запомнить, так как они работают и в газе.
Итак. Разобрав ещё раз процесс создания вихря, мы ещё ближе подошли к пониманию выше упомянутого философского вопроса.
---
* Плотность, значит количественное содержание частиц в единичном объёме.