2.40. Круговые вихри

Как курильщикам удается пускать дым кольцами? Почему, приближаясь к стене, такие кольца увеличиваются в размерах? Как дельфинам удается создавать похожие кольца из воздуха в воде?

ОТВЕТ • Кольца дыма — круговые вихри, вырывающиеся из наполненного дымом рта при сильном выдохе. Когда курильщик выпускает дым и воздух через округленные губы, вблизи губ поток тормозится из-за трения и, следовательно, отстает от потока в центре отверстия. Это приводит к тому, что вокруг губ поток выгибается наружу, и возникает вихревое движение. Дым просто играет роль маркера, позволяя увидеть движение воздуха.

Когда кольцо дыма приближается к стене, трение потока воздуха о стену приводит к расширению кольца. Скорость вращения воздуха уменьшается, как уменьшается скорость фигуриста, когда он вращается на носке конька и расставляет руки.

Как и курильщики, дельфины тоже любят играть круговыми вихрями и умеют их создавать разными способами. По-видимому, самый обычный из них такой: дельфин плывет на боку, помахивая из стороны в сторону хвостовым плавником, находящимся в этот момент в вертикальном положении. Когда плавник двигается в воде, трение замедляет поток вблизи него, вызывая завихрения, из которых потом формируется круговой вихрь в вертикальной плоскости. Затем дельфин разворачивается, вставляет свое дыхало[35] в круговой вихрь и выдыхает воздух в его центр, откуда он быстро распределяется по всему вихрю. Воздух помогает вихрю держаться на воде, а также выступает как маркер. Дельфин, играя, гоняется за вихрем, проплывает сквозь него. Он создает следующий кольцевой вихрь или разрывает вихрь на кусочки, которые, загибаясь, образуют вторичные вихри меньшего размера.

В классе создать вихрь можно с помощью воздушной пушки. Это коробка с круглым отверстием спереди, а сзади вместо стенки натянут гибкий материал (например, пластиковый мешок для мусора). Если оттянуть пластиковое покрытие наружу, а затем его отпустить, оно выталкивает струю воздуха через круглое отверстие. Точно так же, как при выпускании колец дыма, поток образует круговой вихрь, правда, без маркера. Можно испугать человека в другом конце комнаты, если, используя воздушную пушку, направить на него потихоньку большой круговой вихрь.

Также круговой вихрь получится, если капнуть жидкость либо в ту же самую жидкость, либо в любую другую жидкость, с которой она способна смешиваться. Вихрь формируется, когда капля ударяется о поверхность жидкости и пробивает ее. Чтобы увидеть, как он образуется, надо добавить в каплю чуть-чуть краски.

Если один круговой вихрь следует за другим, а их центры располагаются примерно на одной оси, второй вихрь может зацепиться за первый. В зависимости от обстоятельств эти два вихря могут либо слиться, образовав один большой вихрь, либо устроить «игру», напоминающую чехарду (рис. 2.13). Догоняющий вихрь сжимается и начинает вращаться быстрее, а первый вихрь расширяется, вращаясь медленнее. Затем второй вихрь проходит через первый и становится ведущим. «Перепрыгивание» вихрей друг через друга может происходить несколько раз. Его можно наблюдать и в том случае, если быстро, одну за другой, капнуть две капли на поверхность жидкости. Если каждая капля приводит к созданию кольцевого вихря, второй вихрь может пройти сквозь первый.

Рис. 2.13 / Задача 2.40. Догоняющее кольцо дыма проходит через переднее кольцо.