Рукотворные вихри Тейлора.

Милостивая природа постоянно подсовывает нам свои подсказки. А пытливый человеческий ум пользовался ими с незапамятных времён. Явно не в одном месте земного шарика она демонстрирует течение воды в гору. Одним из таких мест являются Бащелакские озёра. Вода, вытекающая из одного озера, втекает в другое озеро по небольшому, малозаметному подъёму. На этих озёрах побывала масса туристов (в том числе и мои знакомые). И мало кто из них заметил это явление. Но наблюдательным был не только Шаубергер. Наблюдательны и лесники, которые это и увидели.

Но как же вода может течь в гору? Рассмотрим для этого классический эксперимент Тейлора.

Но каков же механизм формирования вихрей, катящихся друг по другу? А это можно понять только из работы 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). Авторы этой работы обнаружили, что на поверхности тела в пограничном слое возникает когерентная система парных вихрей Тейлора (вращающихся в противоположные стороны), которые двигаются по поверхности тела перпендикулярно потоку.

В эксперименте Тейлора среда находилась в зазоре между двумя концентрическими цилиндрами, внутренний из которых вращался. В этих условиях точное решение уравнений Навье Стокса даёт течение Куэтта, в котором должна наблюдаться линейная зависимость скорости течения, что и хотел проверить Тейлор.

Но уравнения Навье Стокса понятия не имеют об открытии Сировича с соавторами (кстати у Сировича есть свой сайт, откуда можно скачать эту статью). А поганцы вихри Тейлора портят благостную картину течения Куэтта. Ведь общеизвестно, что при увеличении скорости движения потока пограничный слой расширяется. И он обязательно займёт весь зазор между цилиндрами. При этом внутренний цилиндр скользит относительно среды, а среда скользит относительно внешнего цилиндра. Поэтому оба парных вихря Тейлора второго рисунка оказываются при деле: один формирует вихрь Тейлора одного направления вращения, а второй формирует вихрь противоположного направления вращения. Но оба вихря как скользили в направлении перпендикулярном направлению потока, так и скользят, но уже в направлении движения потока.

Следующим достижением (правда сделанным значительно раньше) является волна трансляции (впоследствии названная солитоном) Джона Скотта Рассела. В интернете не в одном месте приводится цитата о его первой встрече с уединённой волной (скажем, в квант 48: А.Т. Филиппов Многоликий солитон). Приводить её не буду, а сразу возьму быка за рога. При движении баржи по Эдинбургскому каналу возникла та же ситуация, что и в эксперименте Тейлора. Т.е. пограничный слой занял весь зазор между днищем баржи и дном канала. И точно так же днище скользило по воде, а вода скользила по дну канала. В зазоре сформировался момент сил, который по всем канонам должен формировать вращение. Но у Тейлора среда вращалась в зазоре. Поэтому и сформировались вихри Тейлора, скользящие в направлении своей оси вращения. Рассел же имел прямолинейное движение. Поэтому у него мог сформироваться и сформировался вихрь Тейлора, КАТЯЩИЙСЯ по своей боковой поверхности.

Вихрь Тейлора катился по дну канала. На поверхности воды был виден округлый холм, который и красочно описал Рассел. И какая на этой видимости создана прекрасная теория солитонов, по своей физической значимости не стоящая и выеденного яйца. Ведь никто так и не догадался посмотреть, а что же находится под водной поверхностью. Если под обычной волной частички воды двигаются по окружностям, то как они ведут себя под уединённой волной?

Почти что такая же ситуация возникает и на склоне, по которому вытекает вода из одного озера в Бащелакских озёрах. Пограничный слой занимает весь слой воды на склоне. Вода скользит по склону. Вторую силу создаёт атмосфера. Вновь возникает момент сил, который и формирует вращение, создавая этим вихрь Тейлора. Катясь без сопротивления по склону вихрь Тейлора получает кинетическую энергию, которой хватает для небольшого подъёма в гору.

Наблюдательных людей хватало во все времена. Как-то по телевизору показывали то, что осталось от античного водовода, подававшего воду из горных источников в римский водопровод. На равнине водовод не имел никаких странностей. А в горах античные инженеры зачем-то при переходе через ущелья чередовали спуск с подъёмом. Ведь и в Италии в античные времена существовали аналоги Бащелакских озёр. Инженеры это заметили, провели соответствующие эксперименты. И свои экспериментальные знания применили при строительстве водовода.

Но если при осаде Рима варвары разрушили водовод, то в Средней Азии достижение предков постигла другая судьба. В предгорьях Копет Дага дехкане поднимают воду с подножия холмов на их вершины, используя серпантины из спусков и подъёмов. Используется та же логика какую использовали и античные инженеры. Но античные инженеры запустили водовод раз и навсегда. В Средней же Азии вода дефицит. И полив посадки на одном холме, воду надо подать на вершину другого холма. Т.е. дехканам постоянно приходится запускать в работу свою систему серпантинов. А вывод в стационарный режим это всегда проблема. Ведь в нижней части между спуском и подъёмом остаётся вода, попадая в которую вихрь теряет энергию и может разрушиться. Но предки дехкан нашли остроумный выход. По информации Петровича при запуске серпантина в работу дехкане приводят во вращение воду между спуском и подъёмом. И вихрь попадает не в стоялую, а во вращающуюся воду. Т.е. вихрю приходится только перестраивать уже существующее вращение, на что требуется меньшая энергия. Следовательно, на спуске вихри должны получать излишки кинетической энергии для того, чтобы они были использованы при запуске серпантинов в работу.