Есть известный парадокс «чайного листа», якобы объяснение которого приписывают Эйнштейну и которое заключается в том, в том, что у дна чашки на жидкость действует сила трения, что вызывает появление вторичного потока, который в итоге и сносит чаинки к центру.
Возникает вопрос, а так ли верна его трактовка с точки зрения современных знаний и накопленного экспериментального материала? Возможная альтернативная трактовка данного феномена и некоторые следствия из него и являются темой данной статьи.
Прежде всего стоит отметить, что при размешивании чая в стакане образуется явно видимое круговое движение, которое естественно ограничено стенками стакана. То есть появляется ток жидкости вдоль неподвижной опоры. И согласно исследований Сировича (патент RU 2 191 931 C2, https://yandex.ru/patents/doc/RU2191931C2_20021027 и ряда других их же патентов) в этом случае возникают «вихревые ковры» на поверхности опоры.
То есть, экспериментально было установлено, что движение жидкости относительно стенок вызывает появление вихрей. В патенте Сирович описывает устройство борьбы с данным явлением, но борьба оказалась безуспешной, уменьшить влияние вихрей не удалось и дальше исследования не проводились.
Практическим примером, подтверждающим реальность существования подобных вихрей можно привести их анализ в работе Ю.М. Кочеткова «Турбулентность. Вихри Тейлора-Гёртлера».
Кроме этого можно отметить результаты эксперимента «Кромка», суть которых в том, что было обнажено, что «при истечении в вакуум пристеночная пленка на выходной кромке сопла разворачивалась на 180 град. и начинала двигаться по наружней поверхности в обратном направлении, преодолевая даже силу тяжести», а также тот факт, что при установке защитного экрана между ним и выходным соплом устанавливалась область давления. Что прямо указывает на то, что выходящем из сопла реактивного двигателя потоке из приграничных к соплу слоев струи вылетает в статистически значимом количестве часть потока в обратном направлении (в вакууме). И пристеночные вихри Тейлора очевидным образом объясняют данное явление.
Таким образом, факт возникновения подобного явления позволяет его трактовать как возникновение отдельного слоя жидкости (в нашем случае в стакане), при этом особо стоит указать на то обстоятельство, что данный слой состоит из вращающихся вихрей, состоящий не из отдельных молекул жидкости, а их организованных конгломератов (или кластеров), что позволяет вести дальнейший анализ не на молекулярном уровне, а на более высоком уровне агрегации. Этот вывод очень важен и затратим некоторое время на анализ этих структур с целью уточнения, случаен ли данный факт или является следствием фундаментальных причин.
Прежде всего необходимо уточнить, что структура данного образования довольно проста и давно уже давно известна. Подобную структуру отрыл Тейлор в ходе исследований ряда решений уравнений Навье-Стокса в тонком зазоре между двумя плоскостями.
Естественно возникает вопрос о причинах стабильность данной структуры в приложении к «вихревым коврам» Сировича.
Первым интересным фактом является то, что влияние обычного трения, которое в былое время считали чуть-ли не причиной «грядущей тепловой смерти вселенной» в данном случае предельно минимизировано. Рассмотрим силы, действующие между катящихся в одну сторону вихрями и соответствующих сил противодействия. Учитывая, что тела вращаются, то закон Ньютона не применим, а применяется правило прецессии.
Трение ускоряет вращение обоих взаимодействующих вихрей. Немного неожиданный вывод, однако он экспериментально подтвержден, имеет даже официальное название: эффект Магнуса и, более того, имеет даже на редкость красивые примеры своей реализации. Так известный в футболе удар «сухой лист» целиком и полностью основывается на этом явлении (https://avatars.dzeninfra.ru/get-zen_doc/147743/pub_5bbcdbfac4487100abab98a4_5bbce29fd88f8300aa77c044/orig).
Есть и более зрелищные видео (https://www.youtube.com/watch?v=qlXBa5hpyxM) на котором хорошо видно, что в конце полета при броске с плотины мяч летит чуть-ли не горизонтально, но возможно с его просмотром теперь будут сложности из-за ограничений ютуба.
На обоих видео хорошо видно, что мяч сильнее поворачивает траекторию ближе к концу полета, а это возможно только тогда, когда скорость вращения увеличивается, а линейная скорость снижается. При этом, сам эффект Магнуса учитывает только боковую силу, а на увеличение скорости вращения тела внимание не акцентируется.
В итоге, сжатый со всех сторон вихрь от самого этого сжатия только ускоряет вращение. Естественно, энергетические ограничения имеют место и до гигантских угловых скоростей вихрь раскрутиться не может, тем более что срок его жизни не так велик, поскольку траектория катящегося вихря пересекает другие вихри и он разрушается. Но только для того, чтобы возникнуть вновь и все повторить.
Нельзя сказать, что данный эффект был неизвестен ранее. Так в статье «Волна на воде» (https://infourok.ru/nauchnoya-statya-po-fizike-na-temu-volna-na-vode-4413426.html) указывается на факт самовращения круглого цилиндра при обтекании его водой: «Круглый цилиндр закрепите так, чтобы он мог свободно вращаться вокруг своей оси при несимметричном обтекании струёй воды. В какую сторону будет вращаться цилиндр? «Здравый смысл», то есть наш жизненный опыт, подсказывает, что он будет вращаться в ту сторону, в какую его раскручивает толстая часть струи. Однако цилиндр не всегда вращается в естественно ожидаемом направлении! При некоторых специально подобранных значениях параметров он вращается в противоположном направлении». Но факт вращения сам по себе почему-то не привлекал к себе внимания исследователей, ведь если на предварительно раскрученный цилиндр направить струю воды, то он ускоряет свое вращение.
Уже данный факт может считаться некоторым открытием, давным давно известным, правда, но незаслуженно не обращающим на себя внимание!
Немного иная ситуация с трением качения о твердую поверхность. Так как в данном случае вихрь выступает в роли ведомого колеса, то по сути это трение является определителем скорости вращения, образуя момент вращения. При этом потери энергии, характерные для трения качения (деформация и адгезия) в случае жидкостей будут чрезвычайно малы. Кроме того, трение качения энергетически намного выгоднее трения скольжения. Здесь сразу стоит отметить, что переход от качения к скольжению по неподвижной поверхности резко ухудшит энергетические потери.
Стоит отметить, что размеры вихря зависят от энергетики потока и они могут вырасти до значительных размеров. Это давно известный самолетостроителям факт:
Но как пилотов, так и авиаконструкторов больше обычно волнует проблема подъемной силы крыла и вихри воспринимаются как неизбежное зло, но рост размеров вихрей при этом установлен эмпирически вполне достоверно.
Аналогично, гидродинамикам также хорошо известно свойство жидкостей образовывать вихри в случае изменения давления в потоке жидкости:
В случае же вихрей в рассматриваемой системе рост вихрей обеспечивается ростом скорости потока, что тоже установлено экспериментально самим Тейлором. Когда вихрь дорастает до другой ограничивающей поверхности, то система резко меняет свою структуру переходя в явно зафиксированную визуально Тейлором конфигурацию (меньшие вихри Тейлор просто не видел). При этом резко возрастают энергетические потери, т. к. вихрь уже не может просто катиться по поверхности и вынужден к скорости качения по поверхности добавлять линейную скорость скольжения по ней, что радикальным образом сказывается на потерях. Энергия самого вихря при этом уже так велика, что он не разрушается, соответственно этому и перестраиваются траектории движения вращающихся в разные стороны вихрей, не допуская их пересечений в сложившихся условиях, тем самым формируя пары вращающихся в разных направлениях вихрей. По сути именно образовавшуюся пару встречно вращающихся вихрей и принято назвать вихрем Тейлора.
Таким образом, достоверно установлено образование системы вихрей в движущейся жидкости (да и в газах тоже), при этом сами вихри имеют размеры, зависящие от энергетики потока.
Естественно понятна причина возникновения вращений в разные стороны, поскольку закон сохранения момента вращения для вихрей никто не отменял и в целом для системы даже парных вихрей момент вращения должен быть равен нулю.
Аналогичные рассуждения можно привести и для слоев жидкости, расположенных ближе пограничного к оси стакана. Ведь в итоге при течении жидкости, например в трубопроводах, устанавливается так называемое течение Пуазёйля (https://ru.wikipedia.org/wiki/Течение_Пуазёйля)
Итак, жидкость внутри стакана образует систему вихревых слоев. Рассмотрим два граничащих друг с другом слоя, не являющихся пристеночными, с точки зрения действующих сил и сил противодействия.
Каждый вихрь слоя в таком случае также окажется в ситуации ведомого колеса, когда движущая сила определена другими вихрями слоя, подталкивающими рассматриваемый вихрь. Однако вихрь внутреннего слоя при этом естественно будут располагаться возле вихря внешнего слоя с противоположным направлением вращения, поэтому вихрь внешнего слоя будет напрямую ускорять вихрь внутреннего слоя просто по геометрическим соображениям, т. к. скорость движения точки окружности в 2 раза превосходит скорость движения ее центра.
Естественно, что данная схема имеет границы применимости, поскольку вихри внешнего слоя не катятся по твердой поверхности, а скользят по вихрям предыдущего слоя, то удвоения скоростей конечно же не будет, но принцип ускорения внутреннего слоя внешним останется. В конечном итоге образуется некоторая конфигурация из вращающихся движущихся вихрей в различных слоях.
Таким образом система вихрей будет поддерживать более высокую скорость движения вихрей внутреннего слоя относительно наружного.
Из рассмотрения данной схемы очевидно, что слои, расположенные ближе к центру стакана будут иметь более высокую скорость вращения, что совпадает с результатами расчетов по уравнениям Навье-Стокса.
Подобное соотношение скоростей различных слоев аналогично профилю скоростей Пуазёйля при токе в трубопроводе. Но учитывая вихревой характер каждого слоя можно уже объяснить наличие завихренности потока.
Собственно после получения данных результатов можно объяснить парадокс «чайного листа». Учитывая, что во вращающихся слоях сохраняются законы моментов инерции, можем написать:
где Ji = Mi*Ri^2/2 – моменты инерции частиц, Mi – масса частицы или вихря, Ri — радиус вращения частицы
Чайные листки не являются вихрями и их плотность выше чем у воды (т. к. они тонут). Угловые скорости листков равны угловым скоростям вихрей воды поэтому располагаться от оси вращения они будут на том расстоянии, которое удовлетворяет вышеприведенным соотношениям, чем больше масса, тем меньше радиус.
На этом по сути альтернативное объяснение проблемы «чайного листа» можно было бы и закончить. Давайте попробуем оценить то, что было получено в результате данного, абсолютно «шапочного» исследования.
1. Экспериментальными исследованиями и реальными фактами было установлено в жидкостях и газах образование вихрей. Размеры вихрей зависят от энергетических параметров соответствующих жидкостей и газов.
2. Вихри обладают внутренней структурой, что существенным образом меняет понятие энтропии системы, поскольку вместо случайного движения по разным направлениям молекулы организуются в структуры имеющие жесткие характеристики связей взаимодействующих частей.
3. Очевидным образом образование вихрей соответствует принципу минимума потенциальной энергии, который постулирует что система должна минимизировать потенциальную энергию связки: система и окружающая среда. Энергия, аккумулированная в вихре существенно превышает энергию молекул его составляющих за счет увеличения энергии взаимодействия. Соответственно, любые теории, не учитывающие вихрей не соответствуют данному принципу, включая и молекулярно-кинетическую.
4. Структура вихрей образована при существенно большем использовании законов вращения, позволяя в частности использовать силы противодействия для увеличения своей энергетики, а не на потери, как в большей части построены существующие технологии.
В свою очередь вращательное движение таит для существующей науки множество тайн и по сути в настоящее время совершенно не изучена. Как пример — исследования Богомолова, прямо свидетельствующие о том, что энергетика вращения пока terra incognita.
5. Внутренняя структура и соответствующая энергоемкость вихревых образований прямо нарушает постулаты существующей молекулярно-кинетической теории, не учитывающей данное обстоятельство. Справедливости ради надо уточнить, что в прошлом веке уже были попытки учета данного обстоятельства (кластерная теория теплоемкости: «Поведение теплоемкости реальных газов существенно отличается от той картины, которую рисуют классическая и квантовая теории. Особенно наглядно это видно на примере одноатомного газа…»), но дальше пары гипотез она пока никуда не ушла (https://wmw-magazine.ru/sci/8918.php), поскольку исследователи почему-то в упор отказывались рассматривать механизмы стабилизации кластеров (структур), используя понятия типа «колебательной энергии».
6. Такие привычные понятия, как например температура, оказываются соответствующим неизвестно чему. Поскольку газы и жидкости структурно упорядочены, причем в этих структурах обязательно присутствуют элементы с различными скоростями и объемами и распределение скоростей и объемов частей данных структур (вихрей) соответствует механизмам их стабилизации, то никакой «среднестатистической случайностью» тут в общем случае и не пахнет. И уж тем более заведомо структурированными являются потоки газов и жидкостей. Собственно данное обстоятельство давным давно не является открытием, но почему-то дальше констатации фактов никто не идет (https://dzen.ru/a/Xx7RzXRhF2qFhxaT).
7. Образование вихрей в газах и жидкостях оставляет под большим вопросом инструментальные исследования измерения скоростей движения молекул, т. к. по сути измеряются скорости движения их структурных конгломератов или кластеров (вихрей), включая известный опыт Штерна, что явно не соответствует скоростям самих молекул, т. е. фактические скорости молекул заведомо другие. Об этом, например, говорит известный эффект Прандля-Глоерта.
Четко заметна линия конденсации паров воды в капельки, начинающейся сразу за фронтом ударной волны. Но для того, чтобы капелька воды сконденсировалась, необходимо чтобы молекулы воды из прилежащего объема воздуха каким-то образом добрались до места их будущей конденсации (им заранее узнать знать где это место будет!), ведь согласно закону парциального давления газов молекулы воды должны быть более менее равномерно распределены в объеме (что подтверждает факт их возникновения везде за ударным фронтом) и им надо добрать до нужного места и успеть сконденсироваться в капельку (что тоже не мгновенно происходит), причем траектория их движения до этого места заведомо не прямая линия. А самолет-то летит на околозвуковой скорости (около 300 м/с), молекулы же воздуха имеют по существующей теории средние скорости около 500 м/с (при этом после охлаждения после прохода фронта ударный волны их скорость должна быть ниже), а капельки конденсируются практически мгновенно. Таким образом данный факт свидетельствует о том, что скорости молекул газа существенно выше, чем принято считать и примерно соответствуют скоростям ударный волны т. е. около 2000-3000 м/с, что примерно на порядок не соответствует молекулярно-кинетической теории.
8. Пренебрежение исследователями фактов образования вихрей в воде и воздухе в прямом смысле слова заводит их в тупик в ходе объяснения результатов реальных экспериментов. В подтверждение данного тезиса приведу несколько таких примеров: .
а) В данной работе исследовался процесс конденсации в сопле Лаваля. Теоретически данный процесс должен приводить «к выделению значительного количества тепла и изменению параметров течения по сравнению с сухим газом». Практически же изменения действительно были зафиксированы и в конечном итоге «число Маха уменьшится на 1 по сравнению с течением сухого воздуха», как замечено в статье «за счет возрастания скорости звука из-за конденсационных процессов». Правда исследований зависимости скорости звука от параметров конденсации влаги найти не удалось, да и само явление возрастания скорости звука при появлении объемно распределенных физических ограничителей звуковых волн в виде капель как-то не самоочевидно. http://chemphys.edu.ru/media/published/gidaspov_2018_а2.pdf .
б) Пример подтверждающий действительно серьезный подход к полученным материалам это исследования Котоусова. Полученные результаты были явно неожиданными, но исследователь не побоялся их опубликовать. Однако объяснения факта ускорения воды за счет обжатия струи наружним атмосферным воздухом явно неудачны. https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/8644
Исследования повторены Шишманцевым и эффект подтвержден. https://khd2.narod.ru/authors/shshmncv/shshmncv.htm#II_NEXT
в) Исследования изучения возможности ветровых двигателей двигаться быстрее ветра.. В ходе работы была предпринята попытка построения транспортного средства (Blackbird), использующего силу ветра для движения со скоростью превышающую скорость ветра. Попытка была удачна, удалось превысить скорость ветра в почти 3 раза при движении по ветру и более чем в 2 раза при движении против ветра. Объяснения данного факта ортодоксальной наукой, естественно, отсутствует. https://en.wikipedia.org/wiki/Blackbird_(wind-powered_vehicle) или чуть подробнее https://habr.com/ru/news/566296/ г) Ниже приведены три примера технической реализации одной и той же идеи. Все реализации были успешны и реально применяются (или могут применяться). — Двухконтурные двигатели Люльки https://dzen.ru/a/X0zDWwx_1gtNMH-a — Способ подачи среды через конфузор осевого компрессора (RU 2 295 064 C1). Данным устройством снижены потери давления входного конфузора компрессора с зафиксированным увеличением КПД. https://yandex.ru/patents/doc/RU2295064C1_20070310 — Устройство аэродинамического охлаждения воздуха (патент номер 142692). Данным устройством идея всех приведенных примеров реализована, так сказать, в «химически чистом» виде. Техническим результатом данного устройства должно было быть охлаждение воздуха в устройстве ниже, чем достигается обычным соплом. Результат был достигнут. На попытки объяснения эффекта авторами с точки зрения ортодоксальной молекулярно-кинетической теории, что называется без слёз не взглянешь: «1. При адиабатическом истечении воздуха из сопла 2, при коэффициенте адиабаты к=1,4, его температура изменяется пропорционально перепаду давления в степени (1-к)/к=0,286. При расширении воздуха в канале между соплом и корпусом устройства (расширительной камере 4), где, за счет отсоса воздуха потоком, вытекающим из сопла, давление ниже, чем за пределами устройства, температура воздуха снижается пропорционально изменению удельного объема в степени (1-к)=0,4. Для отсоса воздуха, поступающего в расширительную камеру и создания в нем давления, пониженного, по отношению к давлению за устройством, геометрические размеры сопла, площади входного и выходного сечения расширительной камеры и выходного патрубка 5 должны быть рассчитаны по известным методикам расчета эжектирующих устройств или определены экспериментально. 2. Снижение потерь с выходной скоростью сопла достигается за счет того, что выходящий из сопла поток используется для совершения работы по отсосу воздуха из расширительной камеры, обеспечивая снижение его температуры. Разделение общего потока на два параллельных позволяет снизить общее аэродинамическое сопротивление устройства.». Все приведенные выше три различных устройства реализуют принцип ускорения воздуха в устройстве выше, чем в обычном сопле. При этом ускорение потока достигается при меньшей потере давления. Естественно объяснения механизма работы данных устройств с ортодоксальной «научной» точки зрения не существует по объективным причинам — оно невозможно, т. к. использовать уравнение Бернулли в случае принудительного разделения слоев потоков с разными плотностями, объемами и скоростями движения и обязательным в следствии этого образованием внутренних вихрей, мягко говоря затруднительно, а уж что ждет желающих применить в этом случае энтропию даже представить себе сложно. Автор сознательно не приводит в качестве данных устройств эжекторы и усилители тяги, все попытки описания которых можно охарактеризовать как натягивание существующего презерватива «открытых законов природы» на глобус «реальной действительности, данной нам в ощущениях». Вот выдержка из диссертации Шалимова А.В «Исследование влияния эжекторных установок на воздухораспределение в рудничных вентиляционных сетях произвольной топологии»: «Энергетические модели эжекции дают точные результаты только в весьма узкой области параметров.» более конкретно характеризующая существующее положение вещей. 9.Все приведенные примеры и явления были заведомо неизвестны основателям современных научных понятий и законов, в связи с чем никоим образом все критика не может их касается, для своего времени все их открытия были прорывом. Вот их потомки к приведенным рассуждениям имеют гораздо большее отношение, поскольку имея существенно большую инструментальную базу решили просто толочь воду в ступе, а не думать своей головой. Такие вот мысли приходят глядя в стакан.. P.S. 1. Название статьи характеризует отношение автора к текущей ситуации в «фундаментальной науке о наиболее общих закона природы, материи, её структуре, движении и правилах трансформации». Вспоминается анекдот: мужик устраивается на работу, у него интересуются: — Что можешь? 2. В статье немного рассмотрен только один, самый простой вариант вихрей — вихри Тейлора. Существенно более сложный и намного чаще встречающийся в природе вихрь Бенара, к сожалению требует гораздо большего объема для описания и в статью не влезет, она и так получилась немаленькой. При этом часть приведенных примеров реализации вихрей в существующих технических устройствах описываются именно вихрями Бенара.
— Могу копать.
— Что еще можешь?
— Могу не копать.
— Лестницу сделать сможешь?
— Да, но долго копать придется.
