Юный техник, 2010 № 11

Журнал Юный техник

Откуда такая мощь?

Происходящие внутри смерча процессы можно в некоторой мере смоделировать, помешивая чай в стакане.

Сначала вы увидите, как центробежная сила лишь слегка отодвигает жидкость к стенкам. Ускорив вращение, легко создать воронку в центре чайного вихря. Нечто подобное происходит и в смерче. Центробежная сила уплотняет воздух возле стенок, а середина вихря остается сильно разреженной.

Если внимательно рассмотреть фотографию смерча, то можно заметить, что по всей его поверхности проходит тонкий белесый пограничный слой, отделяющий зону сравнительно спокойного течения воздуха от зоны завихрения. Этот слой —

своего рода подшипник, благодаря которому скорость движения воздуха в воронке смерча может достигать 700 км/ч. А некоторые исследователи даже полагают, что скорость ветра в такой воронке может быть сверхзвуковой, то есть достигать скорости 1200 км/ч.

Поставить эту мощь на службу людям пытались неоднократно. Например, московский изобретатель М.С. Сагов придумал, как с помощью прирученного вихря… вентилировать городские улицы.

Суть его идеи такова. Чтобы спровоцировать образование смерча, используется вихреобразователь — несколько сходящихся к вершине винтообразных лопаток. На каждую снизу, по периметру, из специальной установки подается мощный поток теплого воздуха. Он закручивается, отрывается от лопаток и поднимается вверх.

После этого из центра вихреобразователя начинают откачивать воздух, который не попал на лопатки и не пришел во вращение. В результате внутри закрученного потока возникает разрежение, заставляющее внешнее давление сжимать поднимающийся поток и соединять отдельные завихрения друг с другом. Постепенно образуется конус.

Теперь уже не нужны ни откачка, ни подача воздуха, они выполнили свою функцию. Их отключают, и конус превращается в трубу. Она сама способна засасывать воздух из окружающего пространства.

Конечно, этот смерч — не ровня природному, его высота всего 15–20 м. Зато им можно управлять, изменяя угол наклона лопаток.

Перемещая вихревую установку по улицам, можно очищать загрязненный воздух, убирать пыль, пропуская вихрь через фильтры. Причем лучше организовать очистку не на выходе смерча, а на входе, как в обычном пылесосе. И он будет возвращать в атмосферу чистый воздух.

Совершенно неожиданно, казалось бы, стал полезен вихрь и сотрудникам лаборатории перспективных разработок Института атомной энергии имени И. Курчатова под руководством профессора Г.И. Кикнадзе, перед которыми стояла задача улучшить охлаждение урановых стержней в ядерных реакторах. Впрочем, за решением ученых стоял строгий расчет. Дело в том, что в пограничном слое, как мы уже сказали, происходит перераспределение энергии, благодаря чему температура вихря падает. А потому, если запустить рукотворный вихрь внутри реактора, его охлаждение можно значительно улучшить.

Как это сделать? Ясно, что вихри образуются в тех случаях, когда поверхность обтекания недостаточно гладкая. Это, например, хорошо знают аэродинамики. И до недавнего времени они старались как можно тщательнее «зализывать» все обводы летательных аппаратов, отполировывать их обшивку.

Однако — удивительное дело! — исследования показали, что во многих случаях и улучшать обтекание можно, делая на поверхности заранее выверенные неровности, что-то вроде «акульей кожи». Новинку испробовали сначала на судах, скорость которых из-за уменьшения забортного трения сразу резко возросла. Подобные покрытия начали испытывать и в авиации. И вновь обнаружили положительный эффект.

Но в авиации — огромные поверхности, в реакторе же площади несравнимо меньше. А потому потребовались эксперименты.

Пробуя разные варианты, в лаборатории создали тонкостенную оболочку с особым рельефом — на стенки нанесли «поклёвки» (так иногда называют вмятины на металле, образованные словно бы птичьим клювом). В этих лунках стали образовываться микровихри, которые уносили тепло намного быстрее и интенсивнее обычного.

В том сотрудники лаборатории Иван Гачечиладзе и Юрий Чушкин убедились, проведя видеосъемку вихрей.

Используя приобретенный опыт, физики испробовали новинку и для улучшения охлаждения турбореактивного двигателя для аэробуса Ил-86, опять-таки «посадив» рукотворные смерчи в каналы охлаждения лопаток турбин. Интенсивность охлаждения выросла более чем в 3,5 раза, увеличилась и взлетная тяга самолета.

Вместе с талантливым физиком-теоретиком Юрием Красновым, который сейчас живет и работает в США, исследователям удалось найти общую методику расчетов вихрей. Для этого им пришлось решить для нового класса потоков уравнения Навье — Стокса: систему дифференциальных уравнений, описывающих движение вязкой жидкости.

Между прочим, это одна из тех семи задач, за решение каждой из которых Математический институт Клэя (США) назначил премию в миллион долларов, такую же, как за доказательство гипотезы Пуанкаре.

В данном случае на основании новой теории было получено множество патентов на разные технические устройства. Оказалось, если микролунки нанести на обводы судов, микровихри можно сразу же утихомирить; при этом, как уже говорилось, резко возрастет скорость кораблей и эффективность двигателей. То же самое происходит с лопастями ветрогенератора и обычного вентилятора. И обшивкой летательного аппарата. И с шапочкой пловца или шлемом горнолыжника… В общем, с любым объектом, который движется в потоке газа или жидкости.

Правда, при этом необходимо очень точно рассчитывать диаметр лунок, их кривизну, расстояние между ними. Но это, собственно, и есть российское ноу-хау, которое теперь продается во многие страны мира. Например, недавно наши физики помогли строителям сверхскоростных европейских поездов. У тех обнаружился немалый дефект. При скоростях в 250–300 км/ч на вылете из тоннелей боковые воздушные потоки просто сбрасывают поезд с рельсов. Приходится снижать скорость… А вот если нанести на поверхность поезда лунки-вмятины, сопротивление поезда воздушным потокам снижается сразу на 20 %. Это показали исследования, проведенные в аэродинамической трубе.

У СОРОКИ НА ХВОСТЕ

ДРУЖБА ПРОДЛЕВАЕТ ЖИЗНЬ. Во всяком случае, эта истина оказалась верна для стаи павианов, сообщает журнал Current Biology. Американские ученые с 2001 по 2007 год наблюдали за 44 обезьянами, обитающими в заповеднике в Ботсване, оценивая, кто из обезьян сколько времени проводит в общении друг с другом. При этом выяснилось, что одиночки в среднем живут от 7 до 18 лет, в то время как социально активные обезьяны — от 9 до 25 лет. Разница объясняется очень просто: в группе легче вовремя заметить опасность, проще прокормиться и уследить за детенышами.