Взаимодействие простых вихрей

Для начала рассмотрим процессы взаимодействия идеальных свободных линейных вихрей в газовой среде. Возможны три варианта взаиморасположения линейных вихрей:

1. Параллельные вихри вращаются в одном направлении;

2. Параллельные вихри вращаются в противоположных направлениях;

3. Вихри не параллельны.

Рисунок 1. Взаимодействие однонаправленных линейных вихрей

В первом случае вихри вращаются в одном направлении. Прилегающие к каждому вихрю вращающиеся слои газа давят на соседний вихрь таким образом, что вынуждают вихри вращаться по окружности вокруг общего центра. Между вихрями прилегающие слои направлены навстречу друг другу. Здесь они компенсируют друг друга и создают повышенное давление между вихрями. Расстояние между вихрями в стабилизированном состоянии зависит от баланса гравитационных сил с суммой центробежных сил и силы отталкивания в результате разницы давлений снаружи и между вихрями.

Рисунок 2. Взаимодействие противонаправленных линейных вихрей

Во втором случае вихри вращаются в разных направлениях. По одну сторону от плоскости, проходящей через вихри, прилегающие вращающие слои ослабляют друг друга и давят на вихри, формируя силы, направленные на отталкивание вихрей по расходящимся траекториям. По другую сторону от плоскости прилегающие вращающие слои усиливают друг друга, формируя общую вихревую струю, направленный поток газа, сбивающий на своем пути все встречные частицы газа. В результате этого, с этой стороны плоскости частицы газа уже не могут давить на вихри. Давление частиц газа на вихри с другой стороны заставляет вихри начать движение в сторону уменьшения давления. Другими словами, можно сказать, что пара вихрей имеет собственный реактивный двигатель обратного действия.Одновременно создается небольшое пониженное давление и между вихрями. Расстояние между вихрями в стабилизированном состоянии зависит от баланса центробежных сил отталкивания с гравитационными силами и силой притяжения в результате разницы давлений снаружи и между вихрями.

В третьем, гипотетическом, варианте вихревые нити не параллельны друг другу. В этом случае вихри также будут взаимодействовать, как и в первых двух вариантах, только сила взаимодействия участков вихрей будет пропорциональна расстоянию между участками. В зависимости от параметров вихрей и их взаиморасположения, они будут либо выгибаться в месте наибольшего взаимодействия либо начнут вращаться относительно друг друга по сложным траекториям.

Разомкнутые линейные вихри в естественном свободном состоянии практически не встречаются. Чаще всего вихри замыкаются и образуют различные образования, близкие по форме к кольцу. Вихревые кольца являются самодвижущимися образованиями, благодаря наличию извергаемой общей струи газа. Рассмотрим случаи взаимодействия простых вихревых колец, у которых присутствует только тороидальное (трубчатое) вращение газа. Взаимодействовать вихревые кольца могут только при следующих случаях:

1. противонаправленные кольца находятся на одной оси близко друг от друга;

2. скорость одного кольца выше и оно догоняет второе вдоль одной оси;

3. кольца движутся навстречу друг другу вдоль одной оси;

4. кольца двигаются параллельно либо траектории их движения близко пересекаются.

Рисунок 3. Взаимодействие противонаправленных колец

В первом случае, если противонаправленные кольца расположены по отношению друг к другу на одной оси, то они начинают двигаться в противоположные стороны. На малом расстоянии действуют силы отталкивания, прилегающие вихревые слои одного вихря отталкивают другой вихрь. На больших расстояниях друг от друга кольца тоже движутся, как бы отталкиваясь друг от друга, за счет наличия собственных двигателей.

Во втором случае, если одно кольцо догоняет другое или если однонаправленные кольца соприкасаются и расположены по отношению друг к другу на одной оси, то между ними начинается так называемая "игра колец" - поочередное проникновение колец друг сквозь друга. Заднее кольцо раздвигает переднее и проходит сквозь него. Кольцо, ставшее задним, повторяет то же самое.

Рисунок 4. Игра колец (из книги Ацюковского В.А.)

В третьем случае, встречно направленные вихревые кольца встречаются при движении друг к другу. В этом случае возможно несколько вариантов:

• кольца не калиброваны, общий случай;
• кольца не калиброваны, частный случай;
• кольца калиброваны.

Рисунок 5. Взаимодействие встречно направленных вихревых колец

В общем случае, если кольца не калиброваны, происходит раздвигание одного кольца, аналогичное раздвиганию при игре колец.Однократно при встрече раздвигается то кольцо, у которого меньше скорость вращения. Кольца проходят друг через друга и разлетаются в разные стороны. В частном случае, если кольца не калиброваны, при некотором балансе сил возможно устойчивое состояние, когда меньшее кольцо вдвигается внутрь большего кольца и остается внутри. В промежутке между кольцами образуется общая струя газа в форме трубы. Обратный реактивный двигатель способствует движению пары колец вдоль оси симметрии.

Рисунок 6. Осевое движение встречно направленной пары некалиброванных колец

Результаты столкновения вихревых колец одного размера зависят от скорости сближения. Столкновение успевших набрать скорость вихрей приводит к их сплющиванию, растеканию вдоль плоскости соприкосновения и распаду на множество мелких вихревых колец. Если калиброванные встречно направленные кольца случайным образом медленно соприкасаются и расположены по отношению друг к другу на одной оси, то возникают силы растяжения в результате действия элементов одного вихря на элементы другого. Вдобавок к этому образуется общая струя газа, распространяющаяся от оси симметрии в плоскости соприкосновения колец, которая способствует уменьшению давления снаружи колец. Формируется обратный реактивный двигатель, который способствует расползанию колец в плоскости. Такой вид распространения похож на круговое движение волн на воде от качающегося поплавка. Однако такое состояние не должно быть устойчивым. Любое внешнее воздействие способно нарушить равновесие вихрей. В результате чего один из вихрей станет сильней влиять на соседний вихрь. А сил, возвращающих в состояние равновесия, в данном случае нет. Поэтому, рано или поздно, этот вариант взаимодействия перерастает в один из двух предыдущих вариантов.

Рисунок 7. Волновое движение встречно направленной пары калиброванных колец

В четвертом случае, когда кольца двигаются параллельно или пересекаются, их взаимодействие таково, что кольца разворачиваются и начинают двигаться по третьему варианту. Каждое кольцо формирует обратную реактивную струю, с помощью которой оно и движется. Однако, между кольцами формируется третья струя, направленная в противоположную сторону. Разворачивающиеся силы вынуждают кольца развернуться навстречу друг другу.

Рисунок 8. Боковое взаимодействие вихревых колец

Взаимодействие замкнутых вихрей, у которых кроме тороидального (трубного) вращения имеется еще и кольцевое вращение, имеет свои особенности и будет рассмотрено отдельно.

 

Владимир Яковлев, [e-mail], http://logicphysic.narod.ru, январь 2005 года