Марафон-2003

Г.П.Устюгина,
школа № 1273, г. Москва

Торнадо в стакане

Предлагаемый материал предназначен учителям физики средней школы как пример развивающей педагогики при обучении, в частности, физике жидкости. Наглядный эксперимент с применением обычных в быту предметов позволяет школьникам делать глубокие самостоятельные выводы, пробуждает фантазию, обостряет восприятие природных явлений.

Одна из современных проблем – это многочисленные ураганы, систематически наносящие гигантский материальный ущерб и уносящие множество человеческих жизней. В связи с глобальным потеплением климата ожидается резкое нарастание количества и силы этих природных явлений. Поэтому задача предсказания их появления, а также борьбы с ними исключительно актуальна.

Уже один вид надвигающегося урагана (в США его называют торнадо) приводит человека в ужас. А попасть в него – величайшее и зачастую непоправимое несчастье. Однако человеческая мысль и опыт не стоят на месте. Свой вариант борьбы с торнадо может предложить каждый любознательный молодой человек, основываясь на выполненных им самим экспериментах.

Постановка задачи

Информация, содержащаяся в сети интернет, представляет собой не только описания очевидцев, но и данные многих детальных изучений атмосферных вихревых явлений, в том числе ряд теорий с привлечением современной математики и компьютерного моделирования, например, модель вакуумного домена. (Меркулов В.И. Электрогравидинамическая модель НЛО, торнадо и тропического урагана. e-mail: merkulov@itam.nsc.ru) Упоминается и Альберт Эйнштейн с его интерпретацией эффекта собирания чаинок в центре стакана (эффект Бэра, см. пер. с нем. в УФН, 1956, т. 59, с. 185).

В лабораторных условиях можно попытаться воспроизвести условия возникновения вихря и предложить свое объяснение происходящих процессов, а если получится, то и предложить способы защиты от ураганов (а может быть, и их предотвращения).

Выделим основные моменты, которые следует воспроизвести при эксперименте:

– в торнадо существуют два типа воздушных потоков: восходящий в центре и нисходящие на периферии;
– и центральный поток (так называемый хобот), и периферический совершают спиралевидное движение;
– предметы, попавшие в зону центрального потока, вследствие динамического захвата переносятся сначала в верхние слои атмосферы, а затем на периферию вихря и вышвыриваются на землю далеко от исходной точки (так возникают, например, рыбные или монетные «дожди»);
– все оказавшиеся на пути торнадо сооружения подвергаются динамическому ударному воздействию.

Будем полагать, что вихревые явления в воздушной среде с достаточной для нашего исследования точностью аналогичны вихревым явлениям в жидкой среде. совокупность факторов, обеспечивающих образование, движение и «жизнь» торнадо (атмосферные явления, связанные с испарением воды из морей, рек и океанов, конвекцией теплых и холодных масс воздуха, конденсацией пара и выпадением конденсата в виде дождя и града) можно промоделировать принудительным вращением поверхностного слоя жидкости с помощью внешнего устройства.

Оборудование. Стеклянная банка, на три четверти заполненная обыкновенной питьевой водой; мелкие предметы, по движению которых можно судить о движении потоков воды; активатор – шлифовально-полировальное устройство по уходу за ногтями рук (IGEA) с набором сменных насадок. Мощность устройства 1,5 Вт; напряжение питания 3 В; миниатюрный электродвигатель мощностью около 1,5 Вт (фото 1).

Ход эксперимента

В банку с водой загружались мелкие предметы, активатор навинчивался на электродвигатель и слегка погружался в воду, после чего приводился во вращение со скоростью примерно 980 об/мин.

Результаты наблюдений

1. Погруженные тела начинали медленно вращаться, отрывались от дна и поднимались до верхнего слоя воды. Затем они отбрасывались к стенке банки и, опустившись по внешней спирали на дно, вновь совершали восходящее по внутренней спирали движение вверх к активатору (фото 2).

Более четко характер движения потоков воды виден по чаинкам (фото 3): спиральное нисходящее движение на периферии, у стенок, и спиральное восходящее движение в центральной части банки, при этом центральный столб не вертикален, а, как пружина, колебался относительно центральной оси.

На фото 4 показано, как в начальной стадии вращения конусообразного активатора поднимаются с осевым потоком воды зернышки пшена, а на фото 5 – как закручивается жестяная крышка, утяжеленная ножом от мясорубки: один ее край приподнимается, а другой, прилежащий к стенке банки, опускается. Все это служит подтверждением наличия центрального восходящего потока и нисходящего периферийного потока жидкости. Еще одно доказательство приведено на фото 6, где показано, как ведут себя зерна гречневой крупы: они собираются в конус (этот эффект как раз и объяснял А.Эйнштейн).

Обратим внимание еще на одно явление. Под активатором образуется воронка, из которой по оси вращения опускается нитевидный «хобот» из пузырьков, в форме скрученной спирали, непрерывно совершающий вращательное и колебательное движения (фото 7, а). После удаления активатора воронка и «хобот» некоторое время сохраняются, затем воронка начинает уменьшаться, «хобот» отрывается от дна (фото 7, б), становится все короче и достаточно быстро исчезает (фото 7, в).

Этот «хобот» аналогичен «хоботу» торнадо, который приносит множество бед. Попробуем найти способ борьбы с ним.

Гипотеза

Из изложенного следует, что энергия вращения активатора передается вращающемуся потоку жидкости и концентрируется в восходящем центральном потоке, транспортируясь центральным «хоботом» снизу вверх. Можно ли рассеять каким-либо образом этот поток энергии? Положим, например, на дно тело с периодически расположенными отверстиями. На фото 8, a показано, что «хобот» и воронка под активатором не образуются, если на дне банки лежит сетка от мясорубки. С помощью подсветки удалось показать, что центральный восходящий поток разбился на несколько хаотических – они заметны по следам пузырьков (фото 8, б). На фото 8, в показана та же картина с увеличением. «Хобот» торнадо разрушился!

Выводы

1. Для возникновения вращательного движения жидкой (и по-видимому, газообразной среды) необходим источник энергии этого вращения, расположенный в верхних слоях жидкости (или атмосферы).

2. Энергию вращения среды можно представить в виде суммы энергий двух примерно равных потоков – нисходящего (происходящего на периферии) и восходящего (происходящего по оси вращения). Поэтому центральная часть торнадо, «хобот», и обладает такой чрезвычайной разрушительной силой.

3. Поскольку энергия «хобота» постоянно пополняется за счет энергии движения воздуха в периферийных областях, который устремляется к центру вблизи земной поверхности, то можно попытаться именно на этом уровне рассеять энергию, т.е. нарушить направленное к центру движение воздушного потока.

4. Один из вариантов – положить на пути сходящихся к центру потоков массивное тело с периодически расположенными отверстиями. Как оказалось, такое тело эффективно воздействует на «торнадо», рассеивая центральный поток на множество более слабых.

5. Возможно, построение преград типа предложенной нами положит конец «дороге торнадо» в США.

Печатается по одноименной брошюре, выпущенной ОАО ИТК «МИКА-АНТИКОР» в 2002 г.
См. также урок Г.А.Охонцевой «Водяные воронки и смерчи» в № 8/03. – Ред.
Галина Павловна Устюгина, учитель физики: «Надеюсь, что молодые пытливые умы найдут в излагаемом материале множество интересных, полезных и перспективных предложений». Свои опыты Галина Павловна демонстрировала в День физики 10 апреля 2003 г. на втором Московском марафоне учебных предметов. Проводить демонстрацию ей помогал муж, кандидат физико-математических наук Юрий Евгеньевич Устюгин. При боковой подсветке ясно видно разрушение центрального восходящего потока на множество мелких и слабых. Может быть, найдено радикальное средство противостояния грозной стихии?