Василь Букрєєв
Урагани є одними з найбільш величних і одночасно одними з найбільш жахливих явищ природи. При цьому дослідники обмежуються тільки мовою опису, не намагаючись зрозуміти механізму, діючого в урагані. І більш того, в метеорології навіть не розглядається, до якого типу вихорів відносяться урагани. А адже в природі існують два типи вихорів: вихори Тейлора і вихори Бенара.
У вихорі Тейлора середовище обертається по концентричних колах в одному і тому ж напрямку в межах всього вихору. У вихорі Бенара існує два потоки: внутрішній і зовнішній. По внутрішньому потоку среда, обертаючись в одному напрямку, піднімається вгору. За периферійному потоку среда, обертаючись в протилежному напрямку, опускається вниз. Тобто тайфун є вихором Тейлора, а торнадо є вихором Бенара.
Але вихори обох типів є об'єктивною реальністю. При цьому менш важливо при яких умовах формуються ті чи інші вихори. Значно важливіше з'ясувати механізм їх існування. Адже знаючи механізм, можна знайти і способи боротьби з тайфунами. Ну і нехай тайфуни десь і якось формуються. Адже погляд з космосу дозволяє їх вчасно виявити і вжити відповідних заходів щодо їх знищення. А цього не зробити без знання механізму, який дозволяє тайфуну бути стійким вихровим утворенням.
Варто відзначити, що вихори в природі присутні повсюдно. З 30 років минулого століття в метеорології широко використовуються вихрові хвилі Россби (і знову виникає питання, до якого типу вихорів вони відносяться). Виникають вихори і на поверхні тіла в прикордонному шарі [1]. При цьому закон збереження моменту кількості руху вимагає формування парних вихорів, що рухаються в протилежні сторони.
Вихори виникають за рахунок тертя ковзання середовища об поверхню тіла. А тому вихори ми можемо розглядати в якості гіроскопа. то їх рух підкоряється правилу прецесії (тобто вихори рухаються по поверхні тіла перпендикулярно потоку) До речі, в цій роботі визначена і структура вихорів Тейлора.
Малюнок 1.
Структура пари вихорів Тейлора
Мал. 1 демонструє, що в вихорі Тейлора середу рухається по концентричних колах. А тому вихор рухається, то на передньому фронті він включає до свого складу середу, а на задньому фронті він з нею розлучається.
Можна навести й більш разючий приклад вихрового руху. На сайті Матрикс один з користувачів (інші користувачі підтвердили його інформацію) розповів, що в передгір'ях Копет Дага дехкане піднімають воду від підстав пагорбів до їх вершин без використання насосних станцій. Для цього вони створюють серпантин з спусків і підйомів. При цьому кожен підйом вище попереднього спуску. І система безвідмовно працює всупереч загальноприйнятим законам фізики.
А вся сіль полягає в тому, що кількатисячолітня традиція дозволяє їм на спуску створювати такі кути, при яких в воді формується послідовність вихорів Тейлора. Вихори ж Тейлора є пружною структурою, практично без гідродинамічного опору поточні по підйому. За рахунок цього вода і піднімається по підйому на велику висоту в порівнянні з висотою, з якої вона спустилася. Тобто дехкане тисячоліття тому винайшли вічний двигун з ККД> 1, яким і користуються до теперішнього часу.
Тому не будемо морочити собі голову тайфуном. Тайфун це вихор Тейлора, точно такий же як і вихори. створювані дехканами. Вихор же Тейлора, як і будь-який обертається тіло, створює відцентрову силу. Оскільки це класика класичної механіки. то і не будемо зупинятися на цьому питанні.
Відцентрова сила при великих оборотах руйнує тверді тіла, особливо при таких розмірах і таких швидкостях як в тайфун. Але будь-який вихор благополучно існує протягом досить тривалих проміжків часу. Значить відцентрову силу щось компенсує. А для цього згадаємо, що вихор Тейлора обертається. І як обертовий об'єкт він підпорядковується правилу прецесії.
Правило ж прецесії говорить, що протидіє сила перпендикулярна діючій силі і зміщена в напрямку обертання (на зазначені 90 градусів). Середовище в вихорі Бенара обертається по концентричних колах. А довжина внутрішньої окружності менше довжини зовнішньої щодо неї кола. Тобто внутрішнє коло обертається щодо зовнішньої окружності. Що виникає при цьому тертя ковзання направлено тангенциально. Тангенціально ж спрямована сила тертя ковзання породжує протидіє силу, спрямовану перпендикулярно тангенциально діючій силі.
Отже, що протидіє сила має доцентрові характер. І ця сила діє з боку зовнішнього кола на внутрішню окружність (природно і на все, що всередині неї знаходиться). Тобто на внутрішню окружність діє вже радіально спрямована сила, яка все за тим же правилом прецесії збільшить швидкість обертання внутрішнього кола з усім її вмістом. Тому швидкість обертання в вихорі Тейлора закономірно збільшується від периферії до центру. Таким чином, ми з'ясували, що вихор Тейлора самостійно формує доцентрову силу, що і дозволяє йому існувати протягом тривалих проміжків часу.
Але тайфун це все ж екстраординарний вихор Тейлора. У зв'язку з його розмірами доцентрова сила розвиває надзвичайно великі швидкості обертання. Швидкість обертання збільшується на великих відстанях від його периферії. Відцентрова ж сила не має кумулятивного ефекту. Якщо доцентрова сила підсумовується на всьому протязі вихору, то відцентрову силу формує тільки окремо взята окружність. І для досягнення відцентровою силою великих значень швидкість обертання даної окружності повинна бути досить великою. Тому в вихорах Тейлора невеликих розмірів вплив відцентрової сили зовні ніяк не відчувається.
У тайфун же швидкості обертання досягають надзвичайно великих величин. Тому і відцентрова сила досягає таких величин, при яких нею вже не можна знехтувати. Тобто доцентрова сила приготувала собі могильника. В межах стіни тайфуну величина відцентрової сили приблизно дорівнює величині центростремительной сили. Тому в стіні тайфуну швидкість обертання середовища практично не змінюється. І при зменшенні радіусу неминуче настає такий момент, коли величина відцентрової сили більше величини центростремительной сили. Природно, що з цього радіусу швидкість обертання падає до нуля. І ми маємо загадковий для сучасної фізики очей тайфуну.
Але тайфун рухається по простору. Доцентрова сила жадібно поглинає все нові і нові маси середовища. І її величини вже не вистачає для утримання в своїй владі шалено обертається середовища. Зросла величина відцентрової сили змушує тайфун розлучатися з придбанням, випускаючи зі свого складу вихрові хвости (рис 2 узятий з Інтернету).
На рис 2 можна розрізнити два ясно видних вихрових хвоста і приблизно два вже напівзруйнованих хвоста. З рис. 2 видно також, що права сторона тайфуну ширше лівого боку. Відповідно і швидкість обертання в правій стороні більше, ніж в лівій стороні (в лівій стороні вже відцентрова сила демонструє свій норов).
Кожен вихровий хвіст тайфуну забирає з собою енергію. І наступний хвіст тайфун може випустити тільки після того, як він заповнить втрати енергії. Загальноприйнято вважати, що енергію тайфуну приносить кристалізація дрібних крапель води в більші. Виділилася при цьому тепло підтримує існування тайфуну. Але чи можете ви назвати хоч одне технічний пристрій, який тепло безпосередньо переводить в кінетичну енергію? Я таких пристроїв не знаю. Тобто ця логіка шита білими нитками. А разом з тим інших джерел надходження енергії у тайфуну не спостерігається. Тим більше що вийшовши на сушу тайфун починає зменшувати свою потужність. Спробуємо розібратися і з цим питанням.
З 50 років минулого століття в статистичній фізиці почало розвиватися кластерне напрямок досліджень. що прагне з статистичного хаосу отримати кристалічний порядок. Тобто кластерна (кристалічна) структура існує і в рідинах, і в газах. Але хоча кластери і є стійкими в часі утвореннями, вони швидко змінюють свою конфігурацію, в зв'язку з чим і виникали труднощі з їх експериментальним визначенням.
Стійкими ж утвореннями в природі є вихрові освіти. Який же тип вихорів може претендувати на роль кластерів в рідинах і в газах? Ясно, що вихор Тейлора на цю роль претендувати не може. Адже для його переміщення потрібно вільне місце, що має його обсяг, що нереально.
Вихор Бенара більш гідний претендент на роль кластерів. Адже в вихорі Бенара середовище та вгору, і вниз рухається по гвинтових спіралям. А також як і пружину, кручені спіраль можна стиснути. розтягнути або зігнути. Спіраль так спіраллю і залишиться. Тому вихор Бенара здатний проповзти в будь-яку щілину, так само як це робить і кульова блискавка. є вихором Бенара. І кластери рідин і газів проповзають в щілини дислокацій, створюючи в них тепловий рух.
Уявімо на час вихор Бенара в формі бочки. Його довжина по осі зменшилася. Отже, зменшилася і швидкість руху (вихор Бенара рухається в напрямку осі). Але при деформації енергія самого вихору не змінилася. Змінитися може тільки її розподіл між осьової і тангенціальною складовими руху. Середовище ж має дві складові енергії: кінетичну і теплову. Якщо ми зменшимо осьову складову вихору, то цим ми зменшили його кінетичну енергію і збільшили теплову енергію. Збільшивши ж кінетичну енергію вихору Бенара, ми зменшуємо його теплову складову.
Це положення має і технічне підтвердження. У техніці досить широко використовуються трубки Ранке [3], [4].
Тангенціальним входом в трубці створюється вихровий рух одного напрямку обертання. Але центральний потік, що виходить в зворотному напрямку, має протилежний зміст обертання, яке конструктивно НЕ створюється. Тобто трубка Ранке сама розпорядилася, створивши в центрі протилежне обертання. А цим властивістю володіє вихор Бенара. Тобто в трубці створюється вихор Бенара.
А тому швидкість центрального потоку різко збільшується, то збільшується і кінетична енергія кластерів (вихорів Бенара) повітря. Тому температура центрального потоку зменшується. І трубка Ранке використовується для скраплення газів.
Нас же найменше хвилює сама трубка Ранке. Ми розглядаємо тайфуни. А в тайфунах шалена швидкість руху середовища створює динамічне розрідження (і найменше атмосферний тиск спостерігається тому в оці тайфуну). Це динамічне розрідження засмоктує в тайфун воду з поверхні океану. Та ж велика швидкість формує суспензію з найдрібнішими краплями води. Конденсація крапель супроводжується виділенням тепла. А термодинамічна рівновага кластерів повітряно - водної суспензії вимагає певного співвідношення між тепловою і кінетичної енергіями. Тому частина виділилася при конденсації крапель теплової енергії йде на заповнення кінетичної енергії, втраченої тайфуном при втраті хвоста зі свого складу. На суші ж тайфун не може підживлювати свою енергію. Тому відцентрова сила послідовними відділеннями від тайфуну хвостів веде до його згасання.
Описаний механізм існування тайфунів (ураганів, тропічних циклонів) дозволяє запропонувати і спосіб їх знищення. Нашим союзником у цій благородній справі виступає відцентрова сила. Але її можливості обмежені. Тому при русі по океану тайфун і нарощує свою потужність за рахунок тепловиділення при конденсації води.
У наших же силах допомогти відцентрової сили. І особливих зусиль це не вимагає. Адже в стіні тайфуну спостерігається хитке, нестійка рівновага між центростремительной і відцентрової силами. Образно можна порівняти цю рівновагу з рівновагою олівця, поставленого на попа. І якщо ми зробимо вибух в лівій задній половині стіни тайфуну, то відцентрова сила тут же відокремить від нього черговий вихровий хвіст. І великої потужності вибуху для цього, ймовірно, не буде потрібно (вистачить і десятка або два кг. Вибухівки в тротиловому еквіваленті). Природно, що одного вибуху буде недостатньо в зв'язку з просторовими розмірами тайфуну. Але хто нам може завадити провести серію вибухів через певні проміжки часу?
Звичайно ж, заздалегідь неможливо передбачити ні необхідної потужності вибухів, ні їх кількості. До того ж це буде залежати і від стадії розвитку тайфуну. Молодий тайфун потребують менших зусиль. Потужний тайфун зажадає зовсім інших зусиль. Але тому що тайфуни приносять великі людські та економічні втрати, то ця овчинка вичинки варта.