мертва брижі

У сучасному природознавстві спостерігається вузька спеціалізація. Природа ж єдина в своїх проявах. Але в кожній з галузей знань накопичений такий обсяг інформації, що одна людина не в змозі осягнути неосяжне. Проте, безперечні переваги вузької спеціалізації мають і свої недоліки. Нові знання з однієї галузі в іншу проникають з великим запізненням або взагалі не проникають.

Механізм формування мертвої брижах

Найбільш разючим прикладом є вихровий рух. Вихори Тейлора і вихори Бенара, відкриті на початку минулого століття навіть в самій гідродинаміки не знайшли застосування. В кінці ж минулого століття експериментально було визначено [1], що когерентна система вихорів Тейлора виникає в прикордонному шарі на поверхні твердого тіла (закон збереження моменту кількості руху вимагає при цьому формування парних вихорів, що рухаються в протилежні сторони). При цьому вихори рухаються по поверхні в напрямку перпендикулярному напрямку потоку. А тому вони, як єдине ціле, не руйнуючись протягом якогось часу, зносяться потоком, то траєкторія їх руху набуває вигляду ялинок.

Траєкторії руху вихорів

Але цю ситуацію прикордонного шару ми маємо і на кордоні повітряного і водного середовища. Повітряний потік штормового вітру діє на водну поверхню. І відповідно до роботи [1] на водній поверхні зобов'язана формуватися система вихорів Тейлора. Оскільки повітряний кордон твердим тілом не є, то система вихорів Тейлора набуває вигляду хвиль, що рухаються в напрямку вітру як єдине ціле. Тобто кожна з пар вихорів Тейлора рухається в протилежних напрямках за профілем хвилі. І чим більше швидкість вітру, тим більше дотична складова швидкості руху вихорів і менше осьова складова їх швидкості руху.

І звичайно ж, також як і хвилі, вихори це не рух самої матерії, а рух стану. Тому, що беруть участь в вихровому русі, частки води рухаються на поверхні води по траєкторії кола (майже що не здійснюючи поступального руху). А відповідно до закону збереження моменту кількості руху в вихровий рух захоплюються і нижні шари, частки яких рухаються вже не по колах, а по еліптичних траєкторіях, велика вісь яких орієнтована у напрямку потоку. Цю ситуацію приблизно описує вже класичний експеримент Тейлора.

У класичному експерименті Тейлора вихори виникали в зазорі між двома співвісними циліндрами, внутрішній з яких обертався. Розгорнувши ж вихори рис. 2 в лінію, ми і отримаємо уявлення про ситуацію, яка існує в ситуації з хвилями, сформованими вітром. Звичайно ж, вертикальні стінки при цьому відсутні. Тому буде відсутній і сувора впорядкованість по вертикалі. Коло перетину самого вихору з глибиною буде деформуватися в еліпс. Частинки ж води не підозрюють про складний характер руху СТАНУ вихору. Вони будуть просто рухатися по еліпсам.

Але при тривалій дії вітру характер руху змінюється. Вихори Тейлора на розділі двох середовищ мають осьову і дотичну компоненту свого руху [1]: тобто вихор не тільки котиться в напрямку руху вітру, але і рухається поперек його руху. Рух же частинок води поперек напрямку руху вітру супроводжується тертям ковзання. Сила тертя ковзання породжує протидіє силу, спрямовану перпендикулярно (проти напрямку руху вітру). Ця сила в разі руху вихорів Тейлора по поверхні твердого тіла руйнує їх, що і змушує природу знову і знову створювати когерентну систему вихорів [1].

Але в даному випадку ми маємо вільну водну поверхню, яка не обмежена твердою поверхнею. Тому що протидіє сила, спрямована по дотичній проти напрямку руху вітру, зменшує величину сили в вихорі Тейлора, має осьовий напрямок. І при тривалій дії штормового вітру на водну поверхню осьова компонента руху вихорів зникає. Залишається одна тільки дотична компонента руху вихорів Тейлора, що знищує гідродинамічний опір, що формується осьової компонентою руху вихорів.

До того ж вітер діє на вихор в дотичному напрямку. А ми вже знаємо [3], що дія сили в дотичному напрямку в якості протидії породжує доцентрові силу. Збільшення енергії вихору збільшує і його розміри. А колесо більшого діаметру завжди котиться швидше колеса меншого діаметру.

Тому при тривалій дії вітру швидкість формованих їм вихорів, суперечачи канонам сучасної фізики, зобов'язана випереджати швидкість руху вітру. І вихори починають бігти попереду вітрового паровоза. А це знову свідчить про те, що в разі вихрового руху закон збереження енергії не діє. Енергія вихорів більше тієї енергії, яку надає їм вітер.

І подібно до Солітони на мілкій воді вихори котяться по поверхні, але вже пізно води. Для одиночного солітону і для цунамі сила гравітації не дає вихору підніматися над водною поверхнею. Тому цунамі і солітон і набувають вигляду округлого пагорба, який просто є сегментом кола. І нелінійні рівняння, що використовуються для опису солітонів (скажімо КДФ або нелінійне рівняння Шредінгера), є грою математичного розуму, яка не має ніякого відношення до природної дійсності. У разі ж послідовності вихорів ми бачимо тільки верхню їх частина, приймаючи їх за хвилі.

Формування профілю брижах.

Оскільки руху вихору є рухом стану, то в криволінійному секторі частки води, що вийшли з одного вихору і не увійшли ще до складу другого вихору, формують гладку криву, яка і імітує профіль хвилі. Насправді ж ми маємо послідовність вихорів, котиться по поверхні нижележащей води.

Для підтвердження же викладеного положення наведемо кілька цитат з роботи [2]. «Якщо вітер довго дме з однаковою швидкістю або стихає, хвилі починають випереджати вітер. Не відчуваючи більше попутного тиску і попутної сили тертя, хвилі стають нижче, довше, а разом з довжиною збільшується їх швидкість; вони перетворюються в брижі. »

«Довжина штормових хвиль (від гребеня до гребеня) не перевищує 250 м; хвилі брижах мають в довжину від 200 до 800 м і навіть більше. Треба зауважити, що вода все-таки трохи переміщається в напрямку хвилі, але швидкість цього переміщення практично незначна. Швидкість поширення штормових хвиль досягає 60 км. а брижах - 100 і більше кілометрів на годину.

Відповідно до класичної теорії, частинки води, що беруть участь в хвильовому русі на глибокій воді, описують орбіту, має форму кола. Висота хвилі дорівнює діаметру цієї окружності. На Міжнародному океанографічному конгресі в Москві академіком В. В. Шулейкин була показана неточність цієї теорії. На підставі тривалого вивчення руху зважених часток в хвильовому басейні Гідрофізичного інституту Української Академії наук в Криму було встановлено, що навіть при глибині, що перевищує висоту хвилі, частинки води рухаються по еліпсу, велика вісь якого спрямована в бік руху хвилі.

Отже, мертва брижі в океанах і в морях є послідовністю вихорів Тейлора, що рухаються в напрямку свого обертання. Але яка ж причина порушення мертвої брижами закону збереження енергії? Чому при поширенні по океанах і морях мертва брижі практично не втрачає своєї енергії? Розглянемо для цього взаємодія двох вихорів Тейлора з їх послідовності.

Взаємодія двох вихорів Тейлора.

З рис. 3 видно, що в місці контакту двох вихорів Тейлора з'являється дотична сила тертя. А ми знаємо [3], що в цьому випадку виникає доцентрова сила, яка збільшує енергію вихорів. А тому вихори це рух стану. то включення середовища на передньому фронті вихору в його склад і виключення середовища зі складу вихору на його задньому фронті супроводжується втратами енергії. Тому цунамі і одиночний солітон з відстанню зменшують свою енергію. Але вказане вище збільшення енергії вихору компенсує втрати енергії на рух СТАНУ. І мертва брижі має тому можливість поширюватися по океанах і морях на великі відстані, практично не втрачаючи енергії.

Зустрівши перешкоду, вихори мертвої брижах мають звичай підійматися вгору по вертикальних стінок. Для пояснення цього можна послатися на правило прецесії для вихрового руху, відповідно до якого виникає протидіюча сила перпендикулярна діючій силі. Але можна і просто сказати, що вихори мертвої брижах продовжують своє кочення, але вже по вертикальній стіні доти поки сила гравітації їх не зупинить.

Вихори мертвої брижах завдають шкоди портовим спорудам. І з ними намагаються боротися. Але ця боротьба є марною тратою грошей, тому що при цьому не враховується вихорову природа мертвої брижах. Адже з вихорами сучасна техніка вже навчилася ефективно боротися. Адже неважливо, яку природу мають вихори (детерміновану або випадкову). А в сучасних аеродинамічних трубах для знищення турбулентних вихорів використовуються решітки.

Тому для захисту портових споруд від вихорів необхідно використовувати ажурні конструкції, подібні грат на вході в аеродинамічні труби. Але ще більшої гостроти ця проблема набуває в разі цунамі. Адже цунамі це також вихор Тейлора, але тільки одиночний. І трагічних наслідків від недавнього цунамі в Японії можна було б уникнути, якби її узбережжі було б захищене ажурними захисними спорудами.

1. Букрєєв В.С. великомасштабна циркуляція в океанах і морях.