В природе
Завихрения – одна из основных форм движения текучей среды. Их структура и размеры удивительно разнообразны. Вихри образуются в реках, океанских течениях, атмосферных потоках. Они могут порождать разрушительные явления огромной мощности, такие как торнадо. Вихри в океане – круговые движения океанской воды, подобные круговым движениям воздуха в вихрях атмосферы.
Ринги Гольфстрима
Представьте, что река, в самом «полноводном» месте переносящая огромное количество воды, постоянно меняла бы положение своего русла, извиваясь самым причудливым образом, образуя изгибы, которые называются меандрами. Сложно себе представить подобную реку на суше, но в океане именно так и выглядит Гольфстрим. Пройдя мыс Гаттерас (побережье Северной Каролины, США), Гольфстрим начинает сильно меандрировать, от него время от времени отделяются огромные (диаметром 100-300 км) океанские вихри с холодными или тёплыми водами внутри, которые, постоянно вращаясь, отходят от главного потока и существуют отдельно иногда по несколько лет, чтобы позже снова влиться в породившее их течение.
Атмосферные вихри
Циклон – атмосферный вихрь огромного (от сотен до нескольких тысяч км) диаметра с пониженным давлением воздуха в центре.
Ураган – тропический циклон, в основном в Северной и Южной Америке.
Торнадо и смерчи – это атмосферные вихри, распространяющиеся вниз, часто до самой поверхности земли, в виде облачного рукава («хобота») диаметром в десятки и сотни метров. Смерч и торнадо внешне очень похожи и относятся к атмосферным вихрям мелкого масштаба, однако физические механизмы явлений различаются. Смерч чаще всего возникает при вторжении холодного воздуха на более тёплую поверхность суши или воды и не всегда связан с грозовым облаком. Торнадо же всегда связан с грозовыми облаками, причём с очень мощными и крупными. Из центра грозового облака, нижняя часть которого принимает своеобразную форму опрокинутой воронки, постепенно «опускается» огромный тёмный «хобот», вытягивающийся по направлению к поверхности моря или земли, а навстречу поднимается широкая воронка, состоящая из воды и пыли. Возникает сплошной столб, который может перемещаться со скоростью до 40 км/ч, его высота достигает от восьмисот метров до полутора километров. Из мощного грозового облака может опускаться сразу не одна, а несколько смерчевых воронок, каждая из которых обычно приносит огромный урон.
Черные дыры
Если бы мы опустили в водную воронку, закручиваемую вами, мячик для настольного тенниса, то смогли бы наблюдать процессы приблизительно похожие на те, что происходят при попадании небесного тела в черную дыру.
Научная мысль
С центробежной силой мы встречаемся гораздо чаще, чем сами подозреваем. Вы крутите вокруг камень, привязанный к бечевке: под действием центробежной силы она натягивается и грозит разорваться. Старинное оружие для метания камней праща работает согласно той же силе. Центробежная сила помогает велосипедисту в цирке разгоняться и описывать головокружительную «чертову петлю». Она же отделяет сливки от молока в сепараторах, она сушит белье, освобождая его от воды в особых центробежных сушильнях, и т.д.
Автомобилестроение
В последние годы исследования вихревых структур ведутся и в таком важном прикладном направлении, как усовершенствование автомобильных двигателей. Ученые пытаются увеличить эффективность сгорания автомобильного топлива за счет создания вихревых колец, благодаря которым топливо могло бы распределяться в цилиндре не так, как при обычном впрыске.
Самолеты и космолеты
Разрушение вихрей может происходить и на крыльях сверхзвуковых самолетов и транспортных космических кораблей, обычно имеющих треугольную форму. Такие крылья генерируют на подветренной стороне вихревые системы, благодаря чему их подъемная сила увеличивается при больших углах наклона крыла к линии полета.
Это интересно!
- В нашем эксперименте явление, при котором «центр» вихря начинает отклоняться от прямой линии и закручиваться в спираль, называется разрушением спиралевидного вихря.
- У мыса Гаттерас (побережье Северной Каролины, США) находится район, который называют «кладбищем» Атлантики. Здесь Гольфстрим встречает относительно холодное течение, идущее с севера, при этом создаются условия для образования отмелей из наносного песка, тянущихся на 20 километров в море и постоянно меняющих положение. Добавьте сюда периодически достигающие этого района ураганы и вы получите одно из самых опасных мест для навигации в Атлантике. Однако зловещая история «кладбища» Атлантики, погубившего только с 1866 по 1945 год около 230 кораблей водоизмещением более 50 тонн, осталась в прошлом. С развитием современных средств навигации после 1950-х годов ни одно судно в этом районе не затонуло.
- Смерчи и торнадо в основном наблюдаются в умеренном поясе обоих полушарий, приблизительно с 60-й по 45-ю параллель в Европе и 30-ю параллель в США. Такие вихри фиксируются на востоке Аргентины, ЮАР, западе и востоке Австралии и других регионах, где создаются условия для столкновения атмосферных фронтов.
- До создания системы присвоения имен ураганам они получали свои названия случайно, без какой-либо системности. Сначала ураганы были исключительно «женщинами». Присваивать стихийным бедствиям женские имена начали военные метеорологи во время Второй мировой войны. В 1953 году этот способ был утвержден официально. Но с 1978 года ситуация изменилась: ураганам стали давать и мужские имена. Иногда ураганы называли в честь имени святого, в день которого происходило бедствие. Так, например, получил свое имя ураган Санта Анна, достигший города Пуэрто-Рико в 1825 году, в день святой Анны. Также название урагану давалось по названию местности, которая наиболее сильно пострадала от его воздействия. Иногда имя определялось самой формой этого явления – так получил свое имя ураган Булавка 1935 года. Весьма интересным методом присвоения имен ураганам отличился австралийский метеоролог Клемент Рагг: он предлагал называть тайфуны в честь имен политиков, которые отказывались голосовать в пользу выделения кредитов на проведение метеоисследований. Сегодня система присвоения названия ураганам основывается на списке, состоящем из 21 имени – по количеству всех букв в алфавите, кроме Q, U, X, Y и Z – они не используются. Имена используют по порядку: первый ураган в сезоне называют по имени, которое начинается на А, второй – на В и так далее. Число тропических штормов и ураганов ежегодно не превышает 21. Если их количество превышает 21, то на помощь приходит греческий алфавит. Ураганы получают имена Альфа, Бета, Гамма, Дельта и др. В случае если тайфун особенно разрушителен, имя, присвоенное ему, вычеркивается из перечня и заменяется другим. Так имя KATRINA навсегда вычеркнуто из списка метеорологов.
Домашний эксперимент
Сверните картонный лист в виде широкой воронки или возьмите миску со стенками конической формы. Раскрутите по стенке воронки монету, небольшой металлический кружочек или колечко: они будут описывать круги по дну посуды, заметно наклоняясь при этом внутрь. По мере того как кружок или колечко будут замедлять свое движение, они будут описывать все меньшие круги, приближаясь к центру посуды. Но вам ничего не стоит легким поворотом посуды заставить кружок снова катиться быстрее – и тогда он удаляется от центра, описывая все большие круги. Если он разгонится очень сильно, то может и совсем выкатиться из посуды.