Что же прячет значок ротора?

Современная физика относится к вихревому движению без должного уважения. И в уравнениях гидродинамики, и в уравнениях электродинамики вихревое движение описывается бессмысленным значком ротора. В то же время в пограничном слое на поверхности тела возникают вихревые волны [1], существование которых не следует из уравнений Навье-Стокса. И в электродинамике уравнения Максвелла не учитывают, что магнитное поле в действительности является вихревым образованием. Т.е. вихревые образования являются для природы объективной реальностью, которая пока что не существует для современной науки.

Вихри Тейлора

В классическом эксперименте Тейлора вихри его имени были получены в зазоре между двумя коаксиальными цилиндрами, внутренний из которых вращался [2].

Рис.1. Вихрь Тейлора.

Целью эксперимента Тейлора было получение течения Куэтта, которое согласно уравнениям Навье-Стокса должно было возникать в тонком зазоре. Но вместо линейного распределения скорости потока по радиусу возникла система вихрей, приведённая на рис.1. Т.е. результат эксперимента Тейлора явился первым звонком, извещающим о кончине уравнений Навье-Стокса.

Первые же аккорды реквиема по безраздельному властвованию в гидродинамике уравнений Навье-Стокса прозвучали в работе Сировича с соавторами [1]. Ведь они обнаружили систему из вихрей Тейлора в пограничном слое у поверхности тела. Хотя полученные ими в эксперименте вихревые образования они назвали вихревыми волнами, в действительности же они являются вихрями Тейлора, двигающимися прямолинейно. Траектория движения вихрей Тейлора по поверхности тела имеет вид (рисунок заимствован из работ [3]).

Рис.2. Траектории движения вихрей Тейлора по поверхности тела.

Вертикальные стрелки показывают направление движения потока. Закон же сохранения момента количества движения требует возникновения парных вихрей Тейлора, двигающихся в противоположных направлениях. И траектории движения системы из вихрей Тейлора принимают вид ряда ёлочек, каждая пара из отрезков в которых показывает движение соответствующей пары вихрей.

А т.к. в вихрях Тейлора, кроме естественной для них тангенциальной составляющей движения, присутствует и осевая составляющая движения, то трение скольжения разрушает их. И траектория движения вихрей Тейлора по поверхности тела принимает вид конечного отрезка прямой. Но вихревое движение является естественным состоянием потока у поверхности тела. Поэтому система из вихрей Тейлора возникает у поверхности тела вновь и вновь.

Следовательно, и в эксперименте Тейлора по поверхности цилиндров двигалась система вихрей его имени. И как только пограничный слой занимал весь объём зазора между цилиндрами, система из вихрей Тейлора занимала всё пространство между коаксиальными цилиндрами и она принимала свой классический вид, обнаруженный Тейлором. А т.к. траектории движения вихрей были направлены под углом к направлению потока, то отрезок прямой рис.1 превратился в замкнутую окружность.

Использование же авторами работы [1] современной экспериментальной техники позволило определить внутреннюю структуру вихрей Тейлора, которая имеет следующий вид (рисунок заимствован из работы [1]).

Рис.3. Внутренняя структура пары вихрей Тейлора.

Таким образом, природный вихрь Тейлора можно представить в виде цилиндра, материя в котором двигается по вложенным друг в друга окружностям. А т.к. вихрь Тейлора является стабильным образованием, то внутреннее трение должно быть сведено в нём до минимума. А это может быть только в том случае, если элементами вихря Тейлора являются вихревые образования, трение скольжения заменяющие трением качения. Для определённости эти вихревые образования назовём элементарными вихрями.

Следовательно, как жидкости, так и газы должны быть структурированы. И элементами их структуры могут быть только вихревые образования. При этом на роль вихревых образований жидкостей и газов не могут претендовать вихри Тейлора. Ведь их внутренняя структура является жёсткой: элементарные вихри вихря Тейлора двигаются по одной и той же траектории. Они не могут перемещаться ни по направлению его оси, ни по направлению его радиуса. Т.е. на роль элементов структуры жидкостей и газов должно претендовать иное вихревое образование.

Вихри Бенара

И такое вихревое образование существует. И носит оно название вихря Бенара. Классические ячейки (вихри) Бенара были получены в эксперименте между двумя пластинами, нижняя из которых охлаждалась, а верхняя нагревалась. При этом в каждом из вихрей Бенара материя поднималась по центру, а опускалась по периферии.

Конечно же, вихрь Бенара является полноценным вихревым образованием. Т.е. у него обязана существовать тангенциальная составляющая движения. Но материя в вихре Бенара перемещается и в осевом направлении. Поэтому элементы вихря Бенара должны двигаться по более сложной траектории, чем траектория движения элементов вихря Тейлора. Наиболее близко к описанию траектории движения элементов вихря Бенара приблизился Арсентьев (рисунок заимствован с сайта http://evg-ars.narod.ru).

Рис.4. Движение потоков воздуха в торнадо, являющемся вихрем Бенара.

Но хотя на рис.1 присутствует и осевая, и тангенциальная составляющие движения всё же это представление неточно. Ведь классический вихрь Бенара не обменивается массой материи с внешней средой. Т.е. сколько материи поднимается по центру вихря, столько же материи опускается и по его периферии. К тому же смена направления движения элементов вихря Бенара идёт только в его вершине и в его основании. И точно так же, как и в вихре Тейлора, элементы вихря Бенара (и при движении вверх, и при движении вниз) не могут покидать ту траекторию, в которую они попали. Следовательно, каждый из элементов вихря Бенара и вверх, и вниз обязан двигаться по спирали (винтовой линии).

В технике же спираль в форме винтовой линии широко используется, скажем, в пружинах. Любую же пружину можно сжать, растянуть или изогнуть. А т.к. вихрь Бенара скомпонован из пружин, то его также можно сжать, растянуть или изогнуть. И природа широко использует это свойство вихрей Бенара.

Ведь любые материалы подвержены тепловому движению. Свободного же объёма в них явно недостаточно для того, чтобы без деформации переместить кристаллик поликристаллической структуры на свободное место. И только вихревой верблюд Бенара способен протиснуться через игольное ушко дислокации на появившееся свободное место. А т.к. при своём перемещении он освобождает какой-то объём, то соседи тут же его занимают, создавая дискретный акт перемещения броуновского движения.

Таким образом, движение вихря Бенара может иметь два крайних положения. Вихрь может перемещаться либо только в осевом направлении, либо только в тангенциальном направлении. Элементарные же вихри вихря Тейлора могут быть только вихрями Бенара. И перемещаются они строго в тангенциальном направлении, что и позволяет вихрю Тейлора динамически царствовать, лёжа на боку. И любое изменение направления его движения в обязательном порядке сопровождается уменьшением его энергии (а следовательно и уменьшением его массы).

Вихрь же Бенара более демократичен по отношению к изменению своего облика. Не изменяя своей энергии, он способен испытывать деформации своей оси, укорачивая или удлиняя её либо изгибая её.

Литература

1. Sirovich L., Ball K.L., Keefe L.R. Plane waves and structures in turbulent channel flow. Phys Fluids A2 (12), December 1990, 2217-2226
2. Г.Шлихтинг. Теория пограничного слоя. «Наука», М. 1969.
3. Патенты RU 2110702 С1, 2146779 С1, 2159363 С2.

♦