[edgeway.ru]
Пользователь: Козлов Евгений
Дата: 17, May, 2024
> как работают вихри?
> Подумайте немного над этим.
> Что-то ведь удерживает молекулы воздуха в теле обычного вихря в жаркий день.
> И это точно не тепловое движение других молекул в вихре.

Послушал совета и решил подумать, каким образом в газообразной среде могут существовать циклические вихри.

Но про торроидальные вихри (в которых частицы вращаются в двух направлениях) задумываться не буду.
А буду задумываться только про обычное плоское вращение.
............

Чтобы что-то вращалось, надо чтобы его что-то к центру вращения притягивало.
Или как считают некоторые: надо чтобы что-то сдерживало центробежное удаление от центра.
То есть опять же: надо чтобы что-то направляло к центру.

Самый простой случай: это если из центра вращения действует какая-то сила.
Либо уже известная (гравитационная, или электрическая).
Либо пока ещё не известная сила.
Типа той, которая не даёт развалиться электронам.

Или немного другой вариант: источник силы в центре вращения может отсутствовать.
Но зато имеется сила притяжения между частицами, и этих частиц много.
И тогда все эти силы между собой так распределятся, что получится будто центр есть и оттуда действует центральная сила притяжения.
То есть будет как при сжимании космического газа, который при гравитационном сжимании вращается.

Но в случае газовых вихрей у нас имеется принципиальное требование:
Вращение есть.
Но никаких сил притяжения нет.
Ни притяжения частиц между собой, ни притяжения частиц к воображаемому центру вращения.
................

В таком случае у нас имеются два возможности:

Первая и самая простая возможность состоит в том, что мы имеем кривое пространство, причем не просто кривое, а закрученное в замкнутые кольца.
И тогда на частицы во вращающихся вихрях никакие силы не действуют.
И поэтому частицы во вращающихся вихрях движутся на самом деле по прямым линиям, то есть по инерции.
Но просто эти прямые имеют вид замкнутых окружностей.

Но эта возможность, как я понимаю, тоже отвергается изначально.

Тогда остается вторая (и последняя) возможность:
Значит должны быть круглые стенки.
Чтобы убегающие от центра частицы от этих стенок отталкивались и направлялись обратно к центру вращения.
И вдоль этих стенок и будет происходить вращательное движение.
Как в случае шарика, движущегося вдоль границ в круглом биллиарде.

Причем имеет смысл отметить, что это не вихрь создает стенки.
А наоборот: наличие стенок создает условия для появления вихрей.
То есть сначала должны появиться стенки, а потом вдоль них могут двигаться циклические потоки.
.............

Могут ли в газе быть стенки?
Такие, чтобы молекула прилетев к такой стенке отразилась и полетела обратно?

В принципе могут.
Причем даже двух типов.

1. Если в стенке плотность газа больше чем снаружи.

Тогда получится как в случае отражения от настоящей твердой стенки.
С тем отличием, что твердая стенка устойчива во времени и самостоятельно не распадается.
А стенка из плотного газа через некоторое время растворится в окружающем менее плотном газе.
То есть существовать такая стенка будет лишь конечное время.

2. Или другая возможность.

Плотность молекул в стенке может быть такой же как вне её, но в стенке тепловая скорость молекул более высокая.
То есть попросту говоря: температура газа в стенке больше чем снаружи.
Тогда при попадании в эту стенку молекулы будут так же отражаться.
И так же такая стенка будет существовать лишь конечное время.

Эти два случая (высокая плотность и высокая температура) могут сочетаться и взаимокомпенсироваться.
И в итоге важно произведение плотности на температуру.
То есть в стенке плотность может быть меньше, но тогда температура должна быть больше.
Или наоборот: температура в стенке может быть меньше, но плотность больше.

Кстати произведение плотности частиц (то есть количество частиц в единице объема) на температуру это плотность внутренней (=кинетической, =тепловой) энергии газа.
То есть количество энергии в единице объема газа.
И это то же самое что обычное давление газа.

Так что приходим к очевидному выводу, что давление (а точнее разница давлений, или градиент давления) это и есть главная величина, которая определяет, куда будет направлено движение в газе.

И чтобы молекулы встречаясь со стенкой отражались и улетали обратно, надо чтобы давление внутри стенки было больше давления снаружи.
...............

Но впрочем стенка нам нужна не для того, чтобы от неё просто отражаться, а чтобы вдоль неё происходило циклическое движение.
Поэтому эта стенка должна иметь вид замкнутой окружности.
А стенка, иначе говоря, это просто область повышенного давления.

Так что пригодная для циклического движения конфигурация должна быть такой:
Имеются две соседних области пространства, внутренняя и наружная.
Во внутренней области давление низкое.
В наружной области давление высокое.
Граница между ними имеет вид окружности (в смысле цилиндра или конуса).
И тогда вдоль этой пограничной окружности будет (наверное) возможно цикличное движение.
...............

Если вдоль круглой стенки будет двигаться единичная молекула, то всё просто.
Сила, которая на молекулу действует, равна (пропорциональна) разнице давлений снаружи и внутри.
И если считать, что эта сила постоянна по величине и никаких статистических флуктуаций она не проявляет, то никаких проблем для циклического движения молекулы не будет.

А если вдоль круглой стенки движется не единичная молекула, а газовый поток, то всё ещё проще.
Поскольку молекула не одна, а много, то статистических газовых флуктуаций можно не бояться и их не игнорировать.
И усреднённая сила, действующая на какую-то часть потока, будет так же пропорциональна разнице давлений снаружи и внутри.
...............

Теперь про скорость циклического потока.
Какой эта скорость может быть?

Здесь я от строго-научного метода откажусь.
И чисто гипотетически предположу, что скорость циклического потока по сравнению с тепловой скоростью должна быть маленькой.
Или по крайней мере должна её не превышать.

Почему? - Не знаю. Так кажется.

А поскольку тепловая скорость это практически скорость звука, то тогда получается что циклические потоки в газе могут быть только со скоростями меньше скорости звука.
И скорее всего, что и нормальные нециклические потоки тоже бывают только дозвуковые.
А со сверхзвуковой скоростью двигаться в газе могут только аномальные объекты.

И в принципе метеорологическая практика это предположение (о непревышении скорости звука) подтверждает:
Тепловые скорости молекул в воздухе 300 м/сек.
И такая же скорость звука.
Обычная скорость ветра в метеорологии 3 м/сек.
А 30 м/сек это уже ураган
.................

Если на тему возможных скоростей в газовых циклических потоках задуматься чуть больше, то начнут конечно возникать разные вопросы.
Хотя для начального понимания проблематики эти вопросы не слишком принципиальны.

1. Тепловая скорость в газе это температура (точнее температура это квадрат тепловой скорости).
А для газовых потоков важна не просто температура, а произведение плотности на температуру (то есть давление).

И поэтому не исключено, что тогда сравнивать надо не скорость потока с тепловой скоростью, а произведение скорости потока на плотность с произведением тепловой скорости на плотность среды.

И если так, то тогда будет возможным случай, когда поток движется со скоростью больше чем тепловая скорость внешней среды.
Это будет в случае, если внутренняя среда более горячая, но менее плотная, чем внешняя среда.
И при этом давление во внутренней среде меньше чем во внешней среде.

2. С чем сравнивать поток: с внешней средой или с внутренней?
Только что я его сравнивал с внешней средой.
И это кажется очевидным:
Ведь это она (внешняя среда) должна противостоять потоку и поэтому должна быть более прочной.

Но если вспомнить, что циклическим потоком управляет не просто внешнее давление, а разница внешнего и внутренних давлений, то тогда и мощь потока (произведение квадрата скорости на плотность) надо сравнивать не с давлением внешней среды (произведение плотности на квадрат тепловой скорости), а с разницей давлений снаружи и внутри.

И поскольку эта разница давлений (снаружи минус внутри) всегда меньше чем давление снаружи, то условие, что мощь потока должна быть меньше наружного давления, остаётся.
И даже ещё более усиливается.

И получается, что мощь потока должна быть меньше чем половина наружного давления.

3. А может ли плотность потока быть меньше чем плотность внутренней области?

Видимо не может: поток происходит во внутренней области.

Хотя чисто умозрительно можно представить только часть от газового потока.
Например, если есть смесь двух газов, можно рассмотривать движение только одного из этих двух газов.
А в пределе можно выделить единственную молекулу и наблюдать за её движением.

Но максимальная скорость потока от такого умозрительного уменьшения потока не увеличится, потому что одновременно с уменьшением массы потока уменьшится и сила, которая действует на уменьшенную часть потока.

4. Насколько правильно считать, что поток происходит во внутренней области?
И что плотность и температура потока такие же как везде во внутренней области?

Или же надо представлять, что поток происходит между внешней и внутренней областями?
И что плотность и температура потока имеют промежуточные значения (между значениями, характерными для внешней и внутренней среды)?

5. Что будет с гипотезой о том что скорость циклического потока не может превышать скорость звука, если принять во внимание что для потоков важны не скорости, а произведения квадрата скорости на плотность?

Ведь скорость звука в газе не зависит от плотности газа (или зависит очень слабо).
И зависит только от скорости молекул (пропорциональна квадратному корню из температуры).

Можно вернуться к примеру выше в п.1, где снаружи температура ниже чем внутри, а плотность снаружи много больше чем внутри.
И скорость потока в этом случае может быть больше чем тепловая скорость снаружи.

То есть получается, что скорость потока может быть больше скорости звука в наружной среде.
Но не может быть больше чем скорость звука во внутренней среде.

6. Должна обязательно иметь принципиальное значение кривизна циклического потока (или его радиус).

Потому что очевидно, что чем меньше кривизна, тем больше должна быть предельная возможная скорость циклического потока.

Но в представленной здесь выше простой картине циклического потока никакой кривизны не присутствует.

И вообще непонятно как в газе найти какую-то характерную длину, с которой можно сравнивать радиус вращения потока.
...............

Если кто в аэродинамике и теоретической метеорологии немного разбирается, то пусть расскажет всё более правильно.

А я перейду к практической части.
То есть к главному вопросу:

Как формировать круглые стенки?
И могут ли стенки в газе вообще существовать, если любая неоднородность в газе очень быстро разваливается?

Проблема может показаться неразрешимой.

Но оказывается, что она решается гораздо проще чем кажется.
Потому что если создать точечную неоднородность температуры или плотности, то стенки вокруг этой неоднородности будут формироваться самостоятельно.
И единственная забота это поддерживать эту точечную неоднородность непрерывным притоком или оттоком тепла или газа.

То есть чтобы получить внутри низкое давление, а снаружи высокое, достаточно поставить в центре охладитель.
А в качестве охладителя может быть например резервуар с водой, из которого вода будет испаряться и из-за этого температура будет уменьшаться.

Или ещё более простой способ:
Из центра изымать газ.
Тогда в окрестностях центра образуется область пониженного давления.
И там смогут появляться циклические движения.
Самый наглядный пример: сливание воды из ванны.
................

Замечу, что в метеорологических циклонных вихрях дело обстоит именно так:
Давление внутри меньше чем снаружи.
Температура снаружи выше чем внутри.

А вот антициклон мне не понятен.
Не знаю как там с давлением внутри.
И если там внутри давление высокое, то почему он вращается?

И также не понятно, что будет, если имеется не точечный источник холода, а наоборот: точечный источник тепла.
Будут ли в этом случае условия для появления циклических вихрей?
Ведь более теплая область в центре будет отбрасывать газ наружу.
А для вращения надо чтобы было наоборот.

Хотя если добавить сюда третье измерение и считать, что теплый воздух будет подниматься вверх и следовательно уходить из центра, то получится то же самое, что обычное отсасывание воздуха из центра.
..............

Добавлю ещё, что стенки, вдоль которых происходят циклические движения, это линии равного давления, которые окружают локальные центры аномального давления.

На географических картах их аналогом являются линии равных высот, которые окружают локальные экстремумы.

Ну и также: нам не очень повезло в том, что воздух кажется нам прозрачным и бесцветным.
А если бы мы могли в нем различать разные вариации, то могли бы видеть в атмосфере много интересных картин.
Хотя иногда мы их всё-таки видим.
Например в случае водяного пара или дыма.