Вихрові кільця (Р
У досліди, підготовлені для лекції з вихрових каблучок, я ввів цікаві зміни.
Звичайна скринька для демонстрації вихорів добре відома і не вимагає докладного опису. Наш пристрій значно більший за ті, що зазвичай використовуються. Це кубічний дерев'яний ящик із стороною близько метра; одна зі стінок зроблена з тонкої клейонки, вільно підвішеної, з двома діагоналями з гумових трубок, міцно прив'язаних по кутах. Гумові трубки потрібні для того, щоб забезпечити повернення клейонки у початкове положення.
Така скринька викидає повітряні вихори великої сили, причому удар кільця об стіну лекційної зали виразно чутний і схожий на звук від легкого удару рушником. Аудиторія може отримати уявлення про "твердість" повітряного вихору, що обертається, якщо послідовно випускати невидимі кільця в зал. Удар кільця в обличчя людини відчувається як м'який поштовх пухової подушкою.
Щоб зробити кільця видимими, потрібно наповнити ящик сумішшю аміаку і хлористого водню з допомогою гумових трубок, приєднаних до двох колб, у яких киплять NH4OH і HCl. Цей спосіб дає добрі результати. Мал. 8 зроблений з фотографії великих кілець, отриманих у такий спосіб. Вигляд збоку становить особливий інтерес: він показує хвіст (схожий на хвіст комети), який утворюється через тертя зовнішніх ділянок кільця про атмосферу під час руху вперед.
Силу повітряних кілець можна показати в такий спосіб. Направимо їх на плоску картонну скриньку, що стоїть на деякій відстані від установки. При цьому ящик відразу перевертається або навіть падає на підлогу. Ударом вихрового кільця можна погасити полум'я газового пальника; Після деякого тренування можна навчитися випускати два кільця швидкою чергою,причому так, щоб друге летіло з дещо більшою швидкістю, ніж перше. Тоді друге кільце наганяє перше, вдаряється об нього і відскакує; обидва кільця залишаються цілі і перетворюються на еліпси, що вібрують. Це показує, що газовий вихор має пружність.
Хоча великі вихори, отримані за допомогою описаної установки, найкраще підходять для демонстрації на лекції, я вважаю, що набагато красивіші та симетричніші кільця можна отримати, випускаючи дим із паперової або скляної трубки діаметром12,5 см* . Якщо дивитися збоку на кільця, що видуваються в нерухомому повітрі біля лампи або при сонячному світлі, то видно дуже красиві спіральні лінії струму. Мені вдалося сфотографувати одне з кілець в такий спосіб. Миттєвий затвор був встановлений на дверях темної кімнати, а дугова лампа фокусувалася на його щілину за допомогою великого увігнутого дзеркала. Фотопластинка встановлювалася в темній кімнаті так, щоб її освітлював пучок променів, що розходиться, що йде від відображення дуги в дзеркалі (коли затвор відкритий). Перед платівкою поміщалася червона лампа, а потім кільця видувались із трубки. Як тільки кільце, симетричне за формою і рухається не надто швидко, виявлялося перед платівкою, ми смикали за шнурок, що веде до затвора, і платівка висвітлювалася сліпучим спалахом. Від кільця падала чітка тінь завдяки невеликому розміру та віддаленості джерела світла. Мал. 9 зроблено з отриманої фотографії. Кільце складається з шару диму та шару повітря, що утворюють спіраль із кількох закінчених витків.
* (Дим можна отримати, наприклад, поклавши в закриту коробочку папір, що тліє.)
Очевидно, кутова швидкість обертання збільшується з наближенням до центру кільця, причому внутрішні ділянки захищені від тертя (якщо можназастосувати цей термін) прилеглими шарами, що обертаються. Це легко можна показати, видозмінивши досвід, наприклад, створюючи повітряне кільце з димовим ядром. Якщо ми зробимо маленький вихровий ящик з отвором діаметром, скажімо,2 см, наповнимо його димом і злегка вдаримо по стінці, то, мабуть, з'явиться товсте кільце, що обертається дуже повільно. Однак якщо ми очистимо повітря від диму, увіллємо в ящик кілька крапель аміаку і змажемо концентрованої HCl нижню частину отвору ящика, тоді дим утворює тонкий шар у нижній частині отвору. Після легкого удару об стінку дим переходив у ядро кільця, а решта кільця залишалася невидимою. Видима ж частина вихору оберталася з напрочуд великою швидкістю. Потрібна велика спритність, щоб створити такі, схожі на півмісяць, тонкі вихори. Найкращі результати зазвичай виходили після кількох спроб. Вигляд одного такого ядра з диму показано на рис. 10. Справжній розмір вихору відзначений пунктирними лініями. Цей досвід не виходить у великому масштабі, хоча я досяг деякого успіху, розпорошуючи нашатир у верхнього краю отвору за допомогою зигзагоподібного залізного дроту, що нагрівається струмом.
Приймаючи деякі запобіжні заходи, можна отримати димове півкільце таке, як на рис. 11. Це блискуча ілюстрація того, що утворення кілець жодним чином не залежить від наявності диму. Кращий спосіб отримати півкільця полягає в тому, щоб дуже легко видихнути дим у паперову трубку, дозволяючи йому текти дном трубки, поки він не досягне кінця. Тоді кільце виштовхується легким видихом. Можливо, краще проводити досвід у великій аеродинамічній трубі з отвором на дні, тому що в цьому випадку можна спостерігати явища, що відбуваються всередині. Достатньо легко отримати кільце, в якому більша частинадиму зосереджено в нижній половині; але отримання кільця, одна половина якого повністю невидима, і такого, щоб межа диму була різко окреслена (як показано на рис. 11) вимагає великої практики. Я перепробував різні схеми, щоб отримати ці півкільця у великому масштабі, але жодна з них не дала результатів, вартих згадки. Здавалося, що застосування розпеченого дроту з нашатирем є найперспективнішим методом, проте різко окресленої межі диму я так і не отримав, а саме це відрізняє маленькі кільця, отримані за допомогою трубки.
Пояснюючи утворення вихрових кілець, обертальний рух часто приписують тертю між повітряними струменями, що витікають, і краєм отвору. Проте здебільшого утворення вихорів зумовлює тертя з атмосферним повітрям. Щоб проілюструвати цю точку зору, я вигадав вихровий ящик, в якому тертя з краєм отвору відсутнє або, правильніше сказати, компенсується вирівнюванням його по всьому поперечному перерізу струменя, що виходить. У дні циліндричного бляшаного ящика просвердлюється приблизно 200 отворів діаметром1,7 ммкожне (рис. 12). Якщо ящик наповнити димом і випустити сильний струмінь повітря, від поверхні, схожої на сито, відокремлюється гарне вихрове кільце. Можна просто покрити кінець паперової трубки шматком туго натягнутої лляної тканини та видмухати димове кільце через неї.
При дослідах з ящиком, з двома круглими отворами, я спостерігав злиття двох кілець, що рухаються поруч, в одне велике кільце. Якщо кільця мають велику швидкість обертання, вони відскакують один від одного, але якщо кільця обертаються повільно, вони з'єднуються. У момент з'єднання форма вихору дуже нестійка. З'єднані кільця стрибком змінюютьгоризонтальне положення на вертикальне так швидко, що це важко помітити, а потім повільно набувають форми кільця. Те саме можна показати за допомогою двох паперових трубок, тримаючи їх у різних кутах рота і майже паралельно один одному. У будь-якому випадку повітря в кімнаті має бути практично нерухоме