Два типа вихрей Бенара

В природе существуют не только два типа вихрей Тейлора с одним направлением вращения: одним из которых является дымовое кольцо

Рисунок 1
и вихри другого вида солитоны, одним из которых является цунами, катящийся по границе между водой и атмосферой, и солитон, катящийся по дну водоёма.

Рисунок 2
Но существуют и два типа вихрей Бенара с двумя направлениями вращения: анаполи

Рисунок 3
направления вращения которых зримо видны на правой части рисунка и вихри типа торнадо.

Рисунок 4
Хотя и вихри Тейлора, и вихри Бенара пасынками для природы не являются, тем не менее любимым дитятей для неё является всё же вихрь Бенара. Ведь вихри Бенара лежат в фундаменте всех конструкций природы, в том числе являясь элементарными вихрями и для вихрей Тейлора.

Стоит отметить, что для описания вихрей Бенара неприменима современная математика, основанная на гипотезе непрерывности. Число Авогадро NA = 6,022 141 29(27)·1023 моль−1 довольно приличная величина. И число молекул, находящихся во внешнем потоке, и число молекул, находящихся во внутреннем потоке, с позиций числа Авагадро незначительно отличаются друг от друга. Поэтому в непрерывном случае мы и можем как-то описать изменение этих чисел при изменении параметров вихрей Бенара. Но к величайшему сожалению современной физики природные объекты, в том числе и вихри, являются дискретными структурами. А результаты Сировича с соавторами ( Sirovich L., Ball K. L., Keefe L. R. Plane waves and structures in turbulent channel flow. Phys Fluids A2 (12), December 1990, 2217-2226) позволили определить даже структуру вихрей на поверхности твёрдого тела в пограничном слое.

Рисунок 5
Таким образом, размеры вихрей являются не пренебрежимо малой величиной, а имеют конечные размеры. И число вихрей внутреннего потока значимо меньше числа вихрей внешнего потока. Т.е. для описания динамики вихрей Бенара применимы только методы дробного интегро дифференциального исчисления.

Вихри Бенара в форме анаполей являются элементарными вихрями не только эфирных тел космоса, но и формируют структуру атомов химических элементов, которая состоит из ряда анаполей вложенных друг в друга. В качестве примера можно привести структуру атома кальция,

Рисунок 6
в котором наблюдается 4 анаполя, вложенных друг в друга. Внутренний анаполь состоит из двух протонов и двух нейтронов и 4 электронов, два из которых являются собственностью нейтронов, а два бегают по кольцу из протонов и нейтронов (поднимаясь вверх по протонам и опускаясь вниз по нейтронам). Второй анаполь построен из 4 пар протонов и 4 пар нейтронов и 16 электронов, 8 из которых являются собственностью нейтронов, а 8 обобществлённых электронов бегают по кольцу из протонов и нейтронов. При этом возможны два варианта траекторий обобществлённых электронов: либо они поднимаются вверх по каждой из пар протонов и опускаются вниз по каждой из пар нейтронов, либо анаполи расположены одно над другим, и каждое из множеств обобществлённых электронов бегает по своим протонам и нейтронам (что скорее всего и реализуется, если учитывать не только структуру следующих анаполей в атоме, но и их структуру в других атомах). Третье кольцо является полноценным анаполем и расположенным над ним неполноценным анаполем, в котором обобществлённые анаполи бегают по разомкнутой окружности, для движения в обратном направлении описывая круг по краевым частицам. Четвёртый анаполь также является неполноценным.

Если космические анаполи являются симметричными конструкциями, то атомы химических элементов, состоящие из вложенных анаполей, симметричными конструкциям не являются. В том же кальции асимметрия наблюдается как в третьем, так и в четвёртом анаполе. Аппендиксы, существующие в третьем и в четвёртом анаполях кальция, создают для движения всей массы электронов атома что-то подобное дисбалансу, наблюдаемому в автомобильных колёсах. Но более привычным для физики объектом является гироскопическая сила. В случае вихревого объекта (вращающегося колеса), закреплённого на оси, момент сил, приложенный к точкам «А» и «В», создаёт момент сил, действующий по стрелкам в перпендикулярном направлении.

Рисунок 7
Гироскопическая же сила в случае вихревых объектов с аппендиксами, которыми и являются атомы химических элементов, вынуждает либо их самих, либо их электроны из внешних ущербных анаполей двигаться по траектории не замкнутой, а разомкнутой спирали.

Но кроме естественных «гироскопов» в микромире существуют и вполне себе симметричные атомные анаполи типа молекулы водорода в пара и орто модификации

Рисунок 8
или атома гелия, также имеющего пара и орто модификации.

Рисунок 9
Никакого дисбаланса у этих атомных образований не существует. И тем не менее, и водород, и гелий также как и другие атомы или молекулы химических элементов также вынуждены формировать вихревые структуры. Почему?

Оказывается космические анаполи отнюдь неравноценны атомным анаполям. Космические анаполи, как говорится, всё своё имеют при себе: движение заряженных частиц (позитронов) по траекториям замкнутых спиралей магнитного поля не формируют. Анаполи же в составе атомов химических элементов магнитное поле всё же формируют, о чём свидетельствует парамагнитный резонанс. Хотя электроны в атомных анаполях также двигаются по траекториям замкнутых спиралей, но магнитное поле, хотя и слабое они формируют. Где же собака зарыта?

В космических анаполях позитроны двигаются можно сказать вокруг безразмерных точек (одиночных электронов). В анаполях атомов химических элементов электроны двигаются вокруг протяженных протонов и нейтронов, которые изображены поэтому на рисунках цилиндриками. В протонах позитроны внешнего потока двигаются сверху вниз, поэтому электроны двигаются по протонам снизу вверх. В нейтроне протон перевёрнут. Поэтому в нём позитроны двигаются снизу вверх. Т.к. электроны по протону нейтрона двигаются сверху вниз, то траектории атомных анаполей вытягиваются по вертикали, приобретая свойства вихря Бенара, изображенного на рис 4. Иными словами, атомные анаполи это всё же анаполи (т. к. формируются они зарядами одного знака, двигающимися по траектории замкнутых спиралей вокруг зарядов другого знака), но они уже приобретают свойства вихрей Бенара второго типа.

Поэтому если космические анаполи способны двигаться только в плоскости, описывая окружности вокруг центра, то атомные анаполи из электронов вынуждают уже атомы двигаться по спиральным траекториям (что усугубляется наличием «дисбаланса» в структуре атомов, что продемонстрировано на примере атома кальция). Но подавляющее число атомов химических элементов лишены возможности для перемещения: тягловой силы электронов недостаточно для приведение в движение массивных атомов (что конечно же не исключает диффузии в твёрдых телах, формируемой электронам, перемещающих массу атома за собой).

Молекулы водорода и гелий это полноценные, а не ущербные атомные анаполи, в которых играет роль их вертикальная деформация. Поэтому и водород, и гелий движением своих свободных электронов увлекаются в движение по траекториям спиралей. Электроны хотя и двигаются по траекториям вытянутых анаполей, но их траектории при этом всё же замкнуты. Поэтому, скажем, атомы гелия, повторяя путь электронов по замкнутым спиралям, также двигаются по траекториям вытянутых в вертикальном направлении анаполей. А т. к. в этом движении участвуют не только электроны, но и протоны с нейтронами атома, то это будет уже не анаполь, а полноценный вихрь Бенара, подобный вихрю торнадо.

Если мы посмотрим на таблицу Менделеева, то увидим, что водород и гелий выбиваются из общего ряда своей анапольной симметричностью. Начиная же с азота все элементы, формирующие газы или жидкости, обладают относительно массивным множеством свободных (не принадлежащих нейтронам) электронов. И их движение по спиральной траектории формируется уже гироскопической силой. Боковой же аппендикс из электронов внешнего анаполя атома также стремится красиво жить, но уже в составе внешнего анаполя. Поэтому для жидкостей и газов аппендиксы из электронов формируют вихри Бенара. А в твёрдых веществах электронные аппендиксы формируют внешние анаполи, которые необязательно имеют форму кольца, как это наблюдается для внутренних анаполей атома. Но скажем, в твёрдых телах в создании анаполей участвуют не все элементы. Часть атомных субъектов существуют самостоятельно вне вихревых структур, диффундируя в пределах всего образца.

В связи с этим возникает проблема. Почему влажный воздух легче сухого? И связанная с ней другая проблема. Почему выплеснув на морозе холодную воду мы увидим, что она упадёт на землю каплями, а выплеснув кипяток, мы не получим каплей, а на землю упадёт что-то типа снежинок? Хотя в жидком состоянии вода имеет структуру из вихрей Бенара, после испарения она не может сформировать вихревой структуры. И молекулы воды могут только либо диффундировать в промежутках между газовыми вихрями Бенара, либо включаться в их структуру. Стандартной ситуацией является включение молекул водорода в структуру воздушных вихрей Бенара. А вот при конденсации влаги в дождинки или в снежинки кристаллики дождинок или снежинок формируются вне воздушных вихрей.

Википедия глаголет «При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону последнего. При 800 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25).»

По случаю вспомним о работе немецких физиков ( http://www.vesti.ru/doc.html?id=1015225&cid=2161). «Впервые такие измерения были проведены в 1960-х годах. С тех пор считалось, что радиус протона равен 0,8768 фемтометра или менее одной триллионной миллиметра….. В 2010 году Поль и его коллеги впервые опубликовали уточнённый размер протона, равный 0,8418 фемтометра. В обычной жизни разница в 0,00000000000003 миллиметра практически неощутима, но только не в вопросах квантовой физики, где погрешность обычно не превышает долей процента.

Два года спустя та же команда исследователей провела повторные исследования. Как сообщается в статье, опубликованной в журнале Science, учёные также получили мюонные атомы водорода, но на этот раз с помощью лазера переводили тяжёлые отрицательные частицы на другие орбитали, чтобы сделать расчёты на основании нового набора энергетических уровней.

Учёные утверждают, что последние измерения были на порядок точнее, чем в 2010 году. Однако диаметр протона оказался равен 0,8408 фемтометра, что почти полностью соответствует предыдущему результату.»

И козе должно быть понятно, что мюон это тот же водород, только имеющий большую величину энергии (что почти что признают и авторы работы). Заряды же разного знака, двигающиеся в противоположных направлениях притягиваются друг к другу. Поэтому электроны с большей энергией обязаны сильнее сжимать позитронные вихри Бенара (которыми и являются протоны). И вихри просто обязаны уменьшить свой радиус, увеличив свой размер по вертикали.

Также по случаю вспомним о вихревой термодинамике. Кинетическая энергия вихревого объекта определяется его осевой скоростью движения. Тепловая энергия вихревого объекта определяется скоростью его вращения (естественно на периферии вихря). Мюонные атомы водорода имеют меньший радиус, но большую высоту, т. е. большую величину кинетической энергии, но меньшую величину тепловой энергии.

Теперь мы можем приступить и к рассмотрению пара и орто водорода.

Рисунок 8
Электрон также является вихревым образованием, обладающим и осевой скоростью движения и скоростью вращения, имеющей характерное для него направление вращения, не изменяющееся при движении вокруг протона справа или слева. И в молекуле водорода электрон с объективной неизбежностью двигается против направления движения позитронов в вихре Бенара протона. А вот направление вращения может быть как противоположным направлению вращения позитронов в вихре Бенара протона, так и совпадать с ним. А токи разного знака, двигающиеся в противоположных направлениях, притягиваются друг к другу. Токи же разного знака, двигающиеся в одном направлении отталкиваются друг от друга. Таким образом, если электрон огибает протон либо справа, либо слева, то в одном случае он будет притягиваться к протону, а во втором случае отталкиваться от него.

Следовательно мюонный водород в какой-то мере равноценен водороду, в котором совпадают вращение электрона и вращение позитронов протона. Т.е. в месте контакта электронный ток вращается в противоположном направлении позитронному току, что формирует силу притяжения между токами. А этот вариант соответствует меньшей температуре. Википедия же свидетельствует, что при сверхнизких температурах существует в основном модификация параводорода. Таким образом немецкие физики, заменив мюоном электрон, сумели дополнительно ещё понизить температуру параводорода. При комнатной температуре концентрация орто к пара водороду равна 75%/25%. А Поль с соавторами создали пара водород с температурой ниже -2730 К.

А как известно, молекула воды содержит атом кислорода

Рисунок 10
и молекулу водорода, которая имеет пара и орто модификации. Стоит отметить, что второй этаж в молекуле кислорода вероятнее всего является отдельным, но неполноценным анаполем. Т.е. электроны второго этажа описывают разорванную окружность, электроны которого описывают полную окружность вокруг крайнего протона и вокруг крайнего нейтрона. И молекула водорода естественным образом вписывается во второй этаж атома кислорода.

Рисунок 11
В молекуле водорода нейтрон отсутствует, т. е. электроны в ней вращаются только вокруг протонов, не испытывая противодействия от электронов нейтронов. Следовательно, электроны молекулы водорода сильнее связаны с протонами, чем молекулы второго этажа анаполя атома кислорода. И образно мы можем сказать, что хвост собаки электронов молекулы водорода вертит собакой электронного анаполя второго этажа атома кислорода.

Таким образом, пара или орто модификация молекулы водорода заставляет принимать пара или орто модификацию анаполя второго этажа атома кислорода. Конечно же влияние модификации атома водорода не может изменить модификации остальных анаполей атома кислорода. Т.е. фазовое состояние молекулы водорода не может изменить фазового состояния всех анаполей атома кислорода, изменяя состояние только разорванного анаполя на втором его этаже.

Результаты же Поля с соавторами подсказывают, что увеличение кинетической энергии атома водорода сопровождается и уменьшением пузатовости самого атома водорода. Поэтому ущербный анаполь молекулы воды в пара или в орто модификации приобретает деформированную форму: в пара модификации увеличивая вертикальный размер, входящих в него протонов, и уменьшая их внешний радиус, а в орто модификации напротив уменьшает вертикальный размер протонов и уменьшая их радиус. Т.е. протоны ущербного анаполя как в пара, так и в орто модификации молекулы воды имеют размеры протонов, отличающиеся от их размеров в нормальных анаполях атома кислорода. А свойства этого аппендикса определяют и характеристики вихрей Бенара, которые создаются из молекул воды.

Парадоксальность воды состоит в том, что у неё существует граница, равная 40 С. И повышение температуры выше 40 С, и понижение температуры ниже 40 С увеличивает объём воды. Объём же, занимаемый водой определяется не величиной объёма самой молекулы воды, а величиной объёма, определяемой свойствами вихрей Бенара из молекул воды. А свойства вихря Бенара из молекул воды в свою очередь определяются свойствами молекул. Молекулы же воды, подчиняясь хвосту из молекул водорода, имеют пара и орто модификации. И содержание пара и орто молекул воды равно 50% на 50% как раз при 40 С. Т.е. ниже этой температуры больше содержание пара молекул воды, а выше этой температуры больше содержание орто молекул воды.

А результаты Поля с соавторами подсказывают, что пара модификация молекул воды содержит в аппендиксе протоны с увеличенными вертикальными размерами при уменьшенном их радиусе. Орто же модификация молекул воды напротив содержит в аппендиксе протоны коротышки, но более пузатые. Соответственно такой же вид приобретают и вихри Бенара из молекул воды (ведь их вид определяется траекториями движения электронов из аппендиксов молекул). Ниже 40 С подвижность вихрей Бенара мала. А ориентация вихрей имеет хаотическое распределение. Поэтому хаотически расположенные в пространстве практически неподвижные, но более длинные цилиндрики занимают больший объём по сравнению с короткими цилиндриками. К тому же коротышки цилиндрики с понижением температуры уменьшают свою численность по сравнению с длинномерами. Орто же модификация молекул воды обладает большей подвижностью по сравнению с их пара модификацией. Поэтому выше 40 С вода и увеличивает свой объём с увеличением температуры.

Орто модификация как молекул водорода, так и молекул воды направлением вращения электронов водорода противоположным направлению вращения позитронов протона формирует силу отталкивания от протона (в месте контакта заряды разного знака двигаются в одном и том же направлении). Этим самым уменьшается сила притяжения, формируемая противоположными направлениями осевых движений электронов и позитронов протона. Вряд ли пузатовость протонов существенно скажется на размерах орто молекул воды. А вот влияние пузатовости протонов существенно скажется на свойствах формируемых молекулами вихрей Бенара. Повышение температуры это увеличение скорости тангенциального вращения вихрей Бенара. Чем же сопровождается увеличение скорости вращения периферии водяных вихрей Бенара?

Водяные вихри Бенара конечно же несравнимы с торнадо. Тем не менее, торнадо даёт подсказку для понимания свойств водяных вихрей. И скорость осевого движения, и скорость вращения в хоботе торнадо существенно выше чем эти же параметры на периферии торнадо. Такое же соотношение обязано выполняться и в водяном вихре Бенара. Т.е. его внутренний поток содержит молекулы воды с большей скоростью вращения по сравнению с периферией. Иными словами, содержание орто молекул воды в центральном потоке больше их содержания на периферии вихря. И чем выше температура воды, тем больше содержание орто молекул воды во внутреннем потоке вихря. Состав вихря Бенара могут покидать только элементы внутреннего его потока. Поэтому и при испарении, и при кипении воды она может расставаться только со своими орто модификациями. В грозовой туче, в торнадо или в урагане скорость вращения в хоботе настолько велика, что молекулы воды центробежной силой выбрасываются из состава вихря, уже самостоятельно конденсируясь вне состава воздушных вихрей. Выделяющаяся при конденсации энергия и поддерживает существование перечисленных выше объектов природы.

Поэтому влажный воздух содержит в основном молекулы воды в орто модификации. И молекулы воды встраиваются в состав воздушных вихрей Бенара. Пузатые орто молекулы воды увеличивают объём воздушных вихрей Бенара. Поэтому влажный воздух занимает больший объём и соответственно легче сухого воздуха. Холодная вода содержит существенно больше молекул пара водорода, который не стремится испаряться. И вода, выплеснутая на морозе падает на землю в виде капель. При комнатной температуре содержание орто к пара водороду равно 75% на 25%. Конечно, содержание орто к пара воде при нормальной температуре будет другим. Но при повышении температуры содержание орто воды увеличивается. Кипяток же в основном содержит орто модификации молекул воды, которые уже находятся в состоянии готовом к испарению. Поэтому выплеснутый на морозе кипяток испаряется, тут же формируя «паровые» снежинки, своей конденсацией обогревающие атмосферу (которая своей температурой, правда, никак не реагирует на этот даже не комариный для неё укус).

Но форма снежинок, скажем, приведённая в работе http://www.nanometer.ru/2013/12/15/snezhinka_389031.html,

Рисунок 12
показывает, что конденсация влаги на снежинке может происходить только в промежутках между воздушными вихрями Бенара. Вихри же Бенара имеют в пространстве хаотическую ориентацию, о чём кстати свидетельствует и броуновское движение, осуществляемое за счёт движения жидких или газовых вихрей.

Таким образом, формирование снежинок осуществляется двумя процессами: процесс выкидывания из состава воздушных вихрей Бенара молекул воды и броуновское, хаотическое движение самих вихрей. Естественно, как только снежинки начали формироваться, воздушные вихри Бенара теряют возможность проникать в пределы снежного кристалла. Но почему же снежинки формируют шести лучевую звезду? Для выяснения этого вспомним о ряде Фиббоначчи, в котором каждый следующий член ряда формируется из двух предыдущих. А как известно, ряд Фиббоначчи управляется золотым сечением: т. е. в среднем для получения следующего члена ряда надо предыдущее значение увеличить на золотое сечение, т. е. 1,618. Этому условию явно должно подчиняться и построение структуры снежинок. Для проверки будем делить на золотое сечение 360 градусов, 180 градусов и 90 градусов.
360 делим на золотое сечение 222,5; 137,5; 85; 52,5
180 делим на золотое сечение 111,2; 68,8
90 делим на золотое сечение 55,6
Во всех случаях было получено значение близкое в 60 градусам. Поэтому природа и положила это значение в основу построения структуры снежинок.

Масса молекул воды больше массы любой компоненты воздуха. А как известно, влажный воздух легче сухого. А легче означает и увеличение подвижности вихрей Бенара, составляющих его структуру. Но для увеличения величины центробежной силы, позволяющей выкинуть молекулы воды из состава воздушных вихрей Бенара, требуется дополнительное увеличение скорости движения вихрей. А это возможно только в случае возникновения потока воздуха вверх. В случае вихря над нагретым склоном холма поток вверх формирует тёплое пятно на склоне. В случае формирования ураганов поток вверх формирует холодное пятно на тёплой поверхности воды. Зимняя погода не способствует формированию на поверхности земли ни тёплого, ни холодного пятна. И снегу приходится ждать милостей от природы. А этой милостью и являются циклоны, на периферии которых и формируется поток вверх.

Таким образом, циклоны не приносят с собой влаги в ту или иную местность средних широт. Циклоны перемещаются на тысячи км. И если бы циклоны несли влагу с собой, то они неизбежно растеряли бы её на своём пути. А ведь движение циклонов сопровождается осадками как летом, так и зимой. Следовательно, для формирования снега в соответствующей местности обязана существовать соответствующая влажность воздуха. Мала влажность, в лучшем случае выпадает пародия на дождь или на снег. Велика влажность, на землю выпадает значительное количество осадков. А вот подъём влажного воздуха вверх и позволяет влаге конденсироваться либо в дождинки, либо в снежинки. Наличие же влаги в любой местности (за исключением побережий морей и океанов) обеспечивается антициклонами, которые передают её из верхних в нижние слои атмосферы. Естественно, что этот процесс не может сопровождаться уменьшением температуры воздуха. Поэтому конденсации влаги в основном не происходит. А атмосфера просто насыщается влагой. На периферии же циклона эта влага и конденсируется при движении вверх, закручиваясь, кстати, силой Кориолиса.

Снежинки в основном (исключая иглы и им подобные) должны иметь пористую структуру. Ведь не все воздушные вихри Бенара двигаются вдоль лучей звезды, отдавая ей молекулы воды. Часть из вихрей отдаляется от луча, но используя при этом углы из таблицы, которые создаются золотым сечением. И вновь хаос броуновского движения вносит свой вклад. Поэтому углы перемычек снежинки никогда не повторяют друг друга. Если траектории самого броуновского движения друг на друга не похожи, то почему перемычки в снежинках могут повторять друг друга? Таким образом, механизмом своего формирования снежинки не только обладают индивидуальным строением, но и объём самого снега в снежинке существенно меньше объёма содержащегося в ней воздуха, который теряет способность для передачи тепла конвекцией (а теплопроводность самого воздуха мала.. Поэтому снег, укрывший землю, является для неё прекрасным теплоизолирующим материалом. Не это ли свойство снега используют современные теплоизолирующие материалы?