Его Величество вихрь Бенара в тепловом движении

В основании всех моделей современной физики в конечном итоге лежит классическая механика, полученные в которой законы применяются для расширения наших физических представлений как вглубь, так и вширь (т.е. как в микромир, так и в макромир). Господином же положения в ней является прямолинейное движение. Но при любом движении неизбежно возникает трение скольжения. Возникающее же при этом трение скольжения играет в прямолинейном движении паразитную роль, с течением времени прекращая и само движение. В вихревом же движении [1] сила трения скольжения, напротив, является величиной положительной, своим наличием увеличивая скорость вихревого движения, совершая при этом ещё массу полезных дел. Поэтому природа и использует широко вихри Тейлора и Бенара. Но какой же из них является для природы базовым, а какой производным?

И конечно же базовым для природы является Его Величество вихрь Бенара. Ведь он обладает массой полезных для природы свойств. К числу основных его свойств относится то, что он способен как царствовать, лёжа на боку (катясь в тангенциальном направлении), так и без устали трудиться, катясь в осевом направлении.

Поэтому элементарными вихрями любого вихревого движения (как упорядоченного, так и неупорядоченного) могут быть только вихри Бенара. В вихре Тейлора его элементарные вихрики Бенара катятся строго на боку. В вихре же Бенара его элементарные вихрики используют как осевую, так и тангенциальную составляющие своего движения. Хаотическое же турбулентное движение практически ничем не отличается от упорядоченного вихревого движения. Внутренняя структура каждого турбулентного вихря также упорядочена, но параметры отдельно взятого турбулентного вихря отличаются от параметров своих соседей. В упорядоченном же вихревом движении параметры всех вихрей одинаковы. Поэтому все вихри катятся в одном и том же направлении, трение скольжения заменяя трением качения.

Детали же структуры вихря Бенара позволяют совершать ещё несколько полезных для природы действий. Ведь элементарные вихри вихря Бенара и вверх, и вниз двигаются по винтовым траекториям, аналогом которых в современной технике являются пружины. А пружину мы можем сжать, растянуть или изогнуть без какого-либо для неё ущерба. Естественно, что и вихрь Бенара обладает столь же приятным для природы свойством. Ведь в числе прочего это позволяет ей организовать тепловое движение.

Описание теплового движения в современной физике к самому тепловому движению не имеет никакого отношения. Ведь ещё Ньютон доказал, что в отсутствие силы движение невозможно. В тепловом же движении современной физики, описываемом статистической физикой, силы отсутствуют. И хаотическое движение молекул во всех направлениях из-за отсутствия соответствующих сил создаётся неизвестно чем, и неизвестно как. В то же время вихрь Бенара единственный в природе объект, способный самостоятельно формировать силу [1], что и позволяет ему совать свой наглый нос во все без исключения природные явления. И эта сила действует на внутренний поток вихря Бенара (с направлением действия, совпадающим с направлением его движения), позволяя ему протиснуться в любую щель дислокации.

Т.е. внутренний поток вихря Бенара может выступать в тепловом движении в роли лазутчика на вновь осваиваемой территории. В работе [1] мы выяснили, что в вихре Бенара формируются центростремительная и центробежная силы, сумма которых формирует упомянутую выше силу, имеющую вихревой характер. Назовём её для определённости элементарной силой. Вихревой характер элементарной силы позволяет внутреннему потоку вихря Бенара сохранять вихревой характер движения и в процессе притискивания через щель дислокации. При этом для внутреннего потока вихря Бенара роль внешнего потока играют стенки дислокации.

В самом вихре Бенара элементарные вихри шествуют строем, не опережая и не отставая от своих соседей. Оси всех элементарных вихрей потока параллельны друг другу. В тепловом же движении оси соседних вихрей Бенара смотрят кто в лес, а кто по дрова. Соответственно, вращение соседних вихрей Бенара осуществляется в плоскостях, расположенных под углом друг к другу. А в этом случае правило прецессии будет формировать противодействующую силу, расположенную под углом к оси внутреннего потока вихря, протискивающегося через щель. И рассматриваемый вихрь Бенара, как правило, выстрелит из-за угла, переместившись на новое место, расположенное под углом к направлению его прежнего движения.

Выйдя же из дислокации на относительный оперативный простор, центральный поток рассматриваемого вихря Бенара лишается дружественной опеки вихрей, сформировавших дислокацию. К самостоятельному же существованию внутренний поток вихря Бенара не приспособлен. Но в работе [1] мы выяснили, что, выйдя на оперативный простор, элементарные вихри вихря Бенара своё вертикальное движение сменяют на горизонтальное. При этом формируется сила, имеющая компоненту, направленную в обратном направлении. Горизонтальная компонента этой силы расталкивает соседей, создавая для рассматриваемого вихря жизненное пространство. Вертикальная же компонента формирует внешний поток вихря Бенара. И рассматриваемый вихрь, как феникс из пепла, возрождается на новом месте.

Но каким же образом формируются сами щели дислокаций? Оси рядом расположенных вихрей Бенара направлены под углом друг к другу. Поэтому между ними возникает сила трения скольжения как в осевом, так и в тангенциальном направлении. И эти силы имеют внешний для вихрей характер, т.е. они не имеют для вихрей ни центростремительного, ни центробежного характера. Поэтому они могут только наклонить оси вращения соседних вихрей в противоположные стороны, формируя дислокацию.

При этом в тепловом движении вихри Бенара не имеют возможности вытянуться по оси во весь "рост". Вихревой характер траекторий их элементарных вихрей позволяет вихрям Бенара изогнуться в любом направлении, подстраиваясь под окружающие их локальные условия. И относительную упорядоченность вихри Бенара в жидкостях и в газах могут приобрести только в окрестности поверхности твёрдого тела. Поэтому кристаллический порядок в жидкостях и в газах проще всего и обнаруживается в этом случае.

Но в любом изогнутом состоянии вихрь Бенара всё так же остаётся вихрем Бенара, формирующим элементарную силу. Подавляющая же часть вихрей Бенара не имеет возможности для реального движения, как белка в колесе буксуя на одном и том же месте. Поэтому не имея возможности сформировать движение, элементарные силы, формируемые множеством вихрей Бенара в объёме, и создают в нём давление. А т.к. оси вихрей Бенара распределены в пространстве хаотически, то и создаваемое ими давление имеет равномерный по направлению характер. Но это отнюдь не говорит о том, что локальное давление изменяться не может.

Но каким же образом в тепловом движении формируется температура? В современной физике температура связана с энергией системы. А вихрь Бенара обладает даже не одной, а двумя энергиями: энергией внутреннего потока и энергией внешнего потока (имеющими, кстати, разный знак). В работе же [1] мы выяснили, что энергия внутреннего потока вихря Бенара больше энергии его периферийного потока. Избыток энергии внутреннего потока над энергией внешнего потока величиной элементарной силы формирует нам динамику газовой или жидкой системы.

Общая же составляющая энергии вихря (одинаковая для обоих потоков) и характеризует нам величину тепловой энергии системы. Попытаемся её описать. Вихрь Бенара сформирован из определённого числа слоёв элементарных вихрей. При этом энергия внешнего потока формируется из энергий составляющих его элементарных вихрей. То же самое относится и к внутреннему потоку. А т.к. численность элементарных вихрей во внутреннем потоке меньше численности элементарных вихрей внешнего потока, то энергия элементарного вихря внутреннего потока больше энергии элементарного вихря внешнего потока.

При этом во внутреннем потоке может содержаться как численность элементарных вихрей, соответствующая численности одного слоя внешнего потока, так и численность элементарных вихрей, соответствующая численности нескольких слоёв внешнего потока. При этом энергия элементарного вихря бесконечной быть не может. Ведь каждый из элементарных вихрей в свою очередь состоит из элементарных вихрей меньшего порядка. И энергия элементарного вихря может быть только конечной величиной.

Следовательно, энергия элементарного вихря внутреннего потока вихря Бенара может превышать энергию элементарного вихря внешнего потока на вполне определённую величину. И отношение численности элементарных вихрей внешнего потока к численности элементарных вихрей внутреннего потока ограничено сверху. В то же время для создания превышения центростремительной силы, формируемой вихрем Бенара, над величиной центробежной силы рассматриваемое отношение должно быть ограничено и снизу.

Поэтому для каждой общей численности элементарных вихрей в вихре Бенара существуют пределы для её деления на численности элементарных вихрей во внешнем и во внутреннем потоках. В границах этих пределов вихрь Бенара и имеет возможность для деления своей энергии на осевую и на тангенциальную составляющие. Отсюда можно сделать вывод, что энергия вихря Бенара определяется общей численностью содержащихся в нём элементарных вихрей.

Но эти соображения ещё ничего не говорят о характере изменения температуры. Т.е. численность элементарных вихрей в вихре Бенара изменяется, изменяя величину его энергии. Но какое отношение изменение энергии вихря Бенара имеет к температуре? А очень простое. Изменилось число элементарных вихрей в вихре Бенара значит изменилось и число самих вихрей Бенара в единице объёма. Изменилась и величина давления, создаваемого их элементарными силами. Следовательно для сохранения прежней величины давления мы обязаны изменять и величину объёма, занимаемого вихрями Бенара. Это изменение состояния системы в физике условились характеризовать показателем «температуры», записывая эту связь в форме закона PV=RT, в котором и появляется температура.

Но как же ведёт себя система из вихрей Бенара при изменении температуры? Допустим, что температура повысилась. Объём, занимаемый вихрями Бенара, должен увеличиться. Т.е. увеличивается и число вихрей Бенара в рассматриваемом объёме. И в отдельно взятом вихре Бенара уменьшается общее число содержащихся в нём элементарных вихрей. Энергия отдельно взятого вихря Бенара уменьшается. Но увеличение числа вихрей Бенара в рассматриваемом объёме позволяет увеличить суммарную энергию системы вихрей Бенара.

При этом и сами вихри Бенара являются дискретными объектами, и дискретными величинами являются значения их энергий. В то же время параметр температура имеет непрерывный характер. А вот здесь на авансцену выступает его величество случай. Ведь в тепловом движении вихри Бенара являются неупорядоченной толпой. Т.е. численности в них элементарных вихрей, при соответствующей температуре, отвечает только математическое ожидание какого-то вероятностного распределения. Т.е. если придерживаться терминологии статистической физики, то жидкости и газы имеют кластерную структуру, с числом элементов в кластерах имеющим какое-то вероятностное распределение. Кластерами же при этом являются вихри Бенара.

Таким образом, с каждым значением температуры связано какое-то вероятностное распределение численности элементарных вихрей в вихрях Бенара. Т.е. любому значению температуры соответствует математическое ожидание энергии вихря Бенара. А ведь в вихре Бенара энергия способна делиться дополнительно ещё и на осевую и на тангенциальную составляющие. Следовательно понятие температуры является неоднозначным параметром.

Ведь сама система вихрей Бенара может покоиться, а может находиться и в динамическом состоянии. Вихри же Бенара перестраиваются под любую динамику. А это предоставляет им и возможность деления их энергии на осевую и тангенциальную составляющие.

Скажем, в трубке Ранке [2] формируется вихрь Бенара. Ведь тангенциальным входом среды в трубку Ранке в ней формируется вихревой поток одного и того же направления вращения как прямого, так и обратного потока. Изменением же сечения выхода прямого потока добиваются того, что направление вращения обратного потока изменяется на противоположное [3]. А это состояние вихревого движения в трубке Ранке соответствует вихрю Бенара.

При этом температура потока, выходящего в обратном направлении, понижается по сравнению с температурой среды на входе в трубку Ранке. А мы выяснили, что скорость движения внутреннего потока больше скорости движения внешнего потока вихря Бенара. Следовательно в элементарных вихрях Бенара увеличивается их осевая составляющая энергии и уменьшается их тангенциальная составляющая. Т.е. изменение динамического состояния вихрей Бенара сопровождается и изменением их температурной составляющей. Этим свойством вихрей Бенара широко пользуются в современной технике при использовании трубки Ранке. Этим же свойством изменения теплового состояния системы вихрей Бенара при изменении динамического состояния системы воспользовались и в работе [4] при определении структуры течения в ламинарном подслое турбулентного пограничного слоя.

Свойства вихря Бенара неразрывно связаны со свойствами его элементарных вихрей. При этом его элементарные вихри являются более консервативными объектами, чем сам вихрь Бенара. Ведь в одном и том же фазовом состоянии численность элементарных вихрей в вихре Бенара является величиной переменной, зависящей от температуры. Структура же и свойства элементарных вихрей остаются при этом постоянными. При фазовом же переходе изменяются структура и свойства элементарных вихрей, что неизбежно влечёт за собой и изменение структуры и свойств самих вихрей Бенара.

Скажем, и в жидком, и газообразном состояниях вода так водой и остаётся. Но водяные вихри Бенара в газовом состоянии имеют в своём составе меньшее число элементарных вихрей, структура которых также отлична от структуры водяных элементарных вихрей жидкого состояния. И в единице объёма водяных вихрей Бенара в газовом состоянии содержится значительно больше, чем в жидком состоянии. И при кипении воды со дна сосуда поднимаются не пузырьки газа, а водяные пузырьки в газообразном состоянии.

И в газообразном состоянии водяные вихри Бенара так и остаются вихрями Бенара. Но их элементарные вихри имеют другую структуру и свойства по сравнению с жидким состоянием. Но на примере трубки Ранке мы выяснили выше, что состояние элементарных вихрей вихря Бенара мы можем изменять не только изменением температуры, но и изменением динамики.

Следовательно, при высоких скоростях течения жидкости у твёрдой поверхности мы можем добиться того, что элементарные вихри вихрей Бенара перейдут в другое фазовое состояние. Будет сформировано состояние динамического кипения жидкости. На поверхности тела будут формироваться газообразные вихри Бенара соответствующей жидкой среды. Но при температурном кипении газовые пузыри среды имеют возможность для испарения.

При динамическом же кипении газовым пузырям деваться некуда. Они имеют возможность только объединения. Газовые пузыри в составе жидкости увеличиваются в объёме. Давление в пузыре при этом падает. И при каком-то объёме пузыря давление в нём падает настолько, что наступает обратный фазовый переход. Вихри Бенара из газового состояния скачком переводятся в жидкое состояние. Объём пузырьков резко уменьшается. А это явление в современной технике носит название кавитации.

И вновь пример трубки Ранке подсказывает, что изменение динамического состояния вихрей Бенара должно сопровождаться изменением температуры. При рассматриваемом фазовом переходе аннулируется влияние динамики. Естественно, что при кавитации температура среды обязана повышаться, что и было замечено в эксперименте. И разумеется, низкотемпературная термоядерная реакция к кавитации не имеет никакого отношения.

Литература

1. Букреев В.С. Правило прецессии в вихревом движении. http://khd2.narod.ru/authors/bukreev/precess.htm
2. А.П.Меркулов. Вихревой эффект и его применение в технике. М., «Машиностроение», 1969
3. Ю.С.Потапов, Л.П.Фоминский, С.Ю.Потапов. Энергия вращения.
4. Sirovich L., Ball K. L., Keefe L. R. Plane waves and structures in turbulent channel flow. Phys Fluids A2 (12), December 1990, 2217-2226

♦