Техника - молодёжи 1979-01, страница 41
наконец объединяются, образуя воронку. Склонность кавитационных полостей к незатухающим гармоническим колебаниям известна специалистам по кавитации. Схлопывание полости часто сопровождается гидроударом с резким повышением давления в ней, за счет чего она увеличивается в объеме. Кавитация может сопровождаться рядом физико-химических эффектов — например, адиабатическим нагревом газа, электроразрядами и свечением. Таким образом, основные фазы развития воронки нам удалось смоделировать. Это — охлаждение центральной струи вихря, образование кавитационных полостей, формирование воронки и пульсацию ее. Но необходимо как-то сопоставить масштабы явлений в океане и в лаборатории, ибо совершенно справедливы вопросы скептиков. Где масштабность? Может быть, воронка и образуется, но все это происходит в пространстве объемом в несколько литров. Примем за исходные цифры те, которые соответствуют океану. Во-первых, на фото хорошо видно, что крупные полосы белых вод заканчиваются размытыми участками с мелкими параллельными отростками. Сравнивание расстояний между полосами и отростками дает величину их соотношения, равную 10. Во-вторых, расстояние между рядами плавающей растительности в Саргассовом море составляет 50— 80 м. Посмотрим, как эти цифры подтверждают принятую в гипотезе схему формирования рядов белых вод и как позволяют оценить размеры воронки. По меньшей мере два фактора способствуют распространению колебаний от воронки на большие расстояния. Во-первых, благоприятным условием является прохождение колебаний в воде. Звук, например, можно зарегистрировать в океане на расстоянии 10 тыс. км от его источника благодаря наличию так называемого звукового канала. Во-вторых, структура колебаний, рождающихся при схлопыва-нии и раскрытии воронки в воде, приближается к структуре стоячих волн, берегущих энергию. Обычно мы ожидаем появления стоячих волн там, где существуют волны, отраженные от преграды. Но какая же преграда в открытом океане? Однако суть не в преграде, а в возвратно-поступательном движении воды, а также в сложении волн от разных воронок. Формирование стоячих волн около пульсирующей воронки происходит в соответствии со схемой пе ремещений воды. Средняя скорость радиального движения воды на стенке воронки близка к скорости звука в воде. На схеме видно, что при раскрытии воронки импульс гидроудара совершает удвоенный путь, а при обратном движении воды и схлопывании воронки импульс как бы тормозится. Аналогичное явление наблюдается и в зоне разрежения. Так появляются зоны преимущественного сжатия (ЗПС) и зоны преимущественного разрежения (ЗПР), которые неподвижны относительно оси воронки. Поплавок, брошенный в воду на расстоянии любого числа полуволн X п от оси воронки (в момент ее полного схлопывания), движется с течением воды и будет попадать то в ЗПС, то в ЗПР. А поплавок, брошенный в тот же момент времени на расстоянии^n ± -М-2 / 2 ' не будет испытывать колебаний давления. Все это характерно для стоячих волн, имеющих так называемые узлы, в которых давление колеблется, и пучности, где колебаний давления нет. Удаляясь от воронки, волна деформируется. Есть предположение, что стоячие волны могут развиваться далеко от воронки в результате деформации профиля волны и наложения ее элементов. Возникновение стоячих волн возможно при встречном распространении бегущих волн от двух воронок невысокой мощности. Воздушное пространство вблизи воронки также разделяется характерными для стоячих волн концентричными узловыми сферами, между которыми происходит интенсивное перемещение воздуха. Если в данный момент времени в n-й узловой сфере давление максимальное, а в расположенных рядом (п—1)-й и (п + 1)-й сферах минимальное, то в последующей фазе колебаний воздух устремится от n-й сферы к (п — 1)-й и к (п + 1)-й сферам и по истечении полупериода колебаний в n-й сфере установится минимальное давление, а в (п — 1)-й и (п 1)-й сферах — максимальное. Во время следующего полупериода колебаний произойдет обратное перемещение воздуха, и начальная картина восстановится. Затем все повторится сначала. Сферы же пучностей, лежащие посредине между, узловыми сферами, отличаются максимальными скоростями движения воздуха и минимальными давлениями. Таким образом, распространение стоячих волн в воздухе приводит к периодическим ударам сжатого воздуха по поверхности воды в зонах пересечения с узловыми сферами. Возникают подъемные силы в зонах пучностей, где давление минимально, а движение воздуха максимально. За счет этого образуется водяной вал. Нетрудно оценить высоту этих застывших концентричных волн. Давлению 1 атм соответствует высота водяного столба 10 м. Если давление в узлах гармонично колеблется от 0,5 до 1,5 атм, а давление в пучностях близко к нулю, то высота застывших волн (без учета энергии колебаний) должна быть около 10 м. Структура стоячих волн в воде аналогична структуре волн в воздухе. Отражение волн приводит к появлению второй, более высокочастотной моды колебаний воды с длиной волны, равной длине волны первой моды колебаний в воздухе, причем узловые сферы колебаний в воде располагаются между узло-•выми сферами колебаний в воздухе. Соответствующая первой моде колебаний длина волны в воздухе равна отношению скорости звука в воздухе Са к частоте первой моды Wi: Ха — Wt" Отсюда частота второй моды колебаний в воде W2 определится как частное от деления скорости звука в воде Св на длину Ха: Св Св или W2 = — W1 ^ 5Wi. Са Таким образом, частота второй моды колебаний в воде приблизительно в 5 раз превышает частоту первой моды колебаний. На одно большое расстояние между узлами 1-й моды колебаний в воде приходится 10 малых расстояний между узлами колебаний в воздухе и колебаний 2-й моды в воде. Совпадение этого числа с отношением расстояний между полосами белых вод подтверждает описанную нами схему волн и косвенно доказывает факт развития пульсаций воронки в океане. Распространение волн вокруг пульсирующей воронки облегчается * при резонансе, когда —- =5, а скорость звука в воде почти в пять раз превышает скорость звука в воздухе. Точная величина резонансного отношения скоростей звука в Продолжение на стр. 45 39 |
