Снимка, направена от инструмента Operational Land Imager на спътника Landsat 8, показва причудливи вихри във въздуха в близост до най-високият връх Моусън (2 745 м) на австралийския вулканичен остров Хърд в Индийския океан.
Това е физичен процес, наречен вихрова пътечка или пътека на Карман, на името на американския физик от унгарски произход Теодор фон Карман, който го е описал за първи път.
Остров Хърд
Остров Хърд е на почти 4000 км от Австралия и повече от 1000 км от Антарктида. Хърд и околните острови са с богата дивата природа. Островната група е убежище на четири вида пингвини и 15 вида гнездящи птици, както и морски слонове и морски тюлени.
Хърд е голям около 40 км, но нараства, заради изливащата се лава от вулкана Биг Бен. А където няма огнена лава, е покрит с лед - 70% от Хърд е скован трайно от глетчери.
Но нищо от това не се вижда под облачната покривка на снимката, направена на 3 май. Вижда се, че източникът на въздушните вихри е връх Моусън. Поредицата ясни кръгове се наричат вихрова пътечка или пътека на Карман.
Източник: wikipedia
Вихровата пътечка на Карман. Числото на Рейнолдс
През 1912 г. Теодор фон Карман е описал математически образуването на подобни завихряния в поток флуид (течност или газ) при оптичане на цилиндрични прегради, перпендикулярно на движението му. Когато флуидът преминава покрай преградното тяло, се образуват редуващи се двустранни завихряния със срещуположна посока на въртене. Карман е открил закономерност между честотата на вихрите и скоростта, с която флуидът обтича препятствието.
Източник: wikipedia
Вихрова пътечка се образува само в определен диапазон на скорости на потока, определен от числото на Рейнолдс (Re). Обикновено над определена стойност на Re ≈ 90.
Числото на Рейнолдс е определящо за режима за протичане на флуидите, който може да бъде ламинарен или турбулентен. Ламинарният поток е гладко и постоянно движение, при което всяка частица се движи успоредно на всяка друга и възниква при ниски числа на Рейнолдс, при които вискозните сили преобладава над инерчните. А турбулентният поток, който се характеризира с вихри, водовъртежи и други хаотични явления, възниква при големи числа на Рейнолдс при преобладаващи инерчни сили.
Вихровата пътечка на Карман може да се наблюдава само в ограничени стойности на Числото на Рейнолдс, които за цилиндри са от порядъка на 47<Re <105. Размери песен, зависи от размера на аеродинамична тялото, докато има линейна зависимост между ширината и разстоянието между съседни вихри.
Размерите на пътечката зависят от размера обтекаемото тяло като съществува линейна зависимост между ширината на пътечката и разстоянието между съседните вихри.
Колкото е по-широка преградата, толкова е по-голямо челното съпротивление, което изпитва при турбулентното обтичане, толкова нараства и ширината на пътечката.
В крайна сметка енергията на вихрите се поема от вискозитета и с по-нататъшното им движение по течението моделът на вихрите на Карман изчезва.
Вихровата пътечка на Карман в облаците
Случаят с остров Хърд не е уникален - често сателитните изображения показват такива модели. Вихрите може да се формират, когато по пътя си облаците срещнат големи препятствия – острови, кратери на вулкани.
През 2012 г. НАСА пусна снимка на Света Елена, вулканичен остров в Южна Атлантическия океан, с подобен шлейф от облачни вихри.
Подобни вихри често се появяват при остров Гуадалупе в Тихия океан:
Сателитна снимка - вдясно е крайбрежието на Калифорния, а а пътечката се образува в подветрената страна на остров Гуадалупе.
Тихоокеанският остров Гуадалупе - вдясно - пътека на Карман, вляво - двойна дъга.
Технически проблем
Това красиво явление обаче предизвиква огромни проблеми около елементи на инженерни съоръжения. Например 3 от 8-те охладителни кули на електроцентралата във Ферибридж се разрушиха на 1 ноември 1965 г. заради срив от вихрите на Карман, предизвикани от вятър със скорост 130 км/час.
Образуването на вихрова пътечка кара да вибрират високи съоръжения и сгради - кули, небостъргачи, комини. Особено опасно е резонансното колебание, при което честотата на завихрянето е същата или близка до собствената честота на съоръженията, което често води до разрушаването им. Затова при проектиране на такива конструкции, те се подлагат на моделни изследвания в аеродинамични тръби.
За да се предотврати образуването на вихрова пътечка се използват няколко метода:
- Към обтекаемото тялото се прикрепва дълга плоска пластина, разположена в подветрената страна, противоположна на входящия поток. Тази пластина предотвратява взаимодействието на вихрите от двете страни на цилиндъра и по този начин отслабва процеса. Това може да се приложи само в случаите, когато посоката на потока е постоянна.
Източник: wikipedia
- На цилиндричните кули се добавят спойлери (интерцептори) - спирали, подобни големи винтове. Те създават асиметричен триизмерен поток, а не двумерен поток и по този начин предотвратяват образуването на вихрова пътечка. Подобна техника се използва и в конструкциите на автомобилни антени. Интересно е какво е имал предвид строителят, поставяйки тези причудливи украси на комини в имение в Стафордшир?
 |
 |
 |
- Диаметърът на конструкциите да варира по височина, което води до различна честота на вихрите на различни височини и по този начин се избягва едновременния срив на вихрите по цялата височина на съоръжението.
- В случаите, когато е невъзможно да се потиска образуването на вихрови пътечки чрез изброение методи, например при проводници на електрозахранващата мрежа, вибрациите на проводниците се погасяват чрез специални вибропоглъщатели.
Източник: Spinning clouds seen from space, livescience.com
Още по темата
Математика
Триъгълникът на Рело - от мехурчета до двигатели с вътрешно горене
Животът
Съоръжение произвежда най-големите изкуствени вълни в света (видео)
Космос
Слънчевата корона се нагорещява заради резонанс, според ново изследване
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари