Лысенко В.С., Сулейменов Б.Т., Рафиков И.Х.

Казахский Национальный Педагогический

университет им. Абая, г. Алматы, Республика Казахстан

КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ ПРИРОДНЫХ ВИХРЕЙ

Вихревое движение газа и жидкостей в природе встречается повсеместно. Атмосферные циклоны, тайфуны, торнадо и смерчи являются природными вихревыми образованиями. Также движение жидкости всегда связано с вихревыми образованиями. Будь то свободное течение жидкости в реках или водопадах, будь то истечение жидкости из разнообразных сосудов. Известно, что торнадо, смерчи и тайфуны обладают огромной внутренней энергией. К сожалению, эта энергия до сих пор не управляема и наносит природе и людям значительный ущерб. Вопрос об источниках этой внутренней энергии природных вихрей является весьма актуальным.

Исследования естественного вихревого движения [1, 2, 3] основаны на разных гипотезах природы их образования и физики внутренней энергетики. Однако до сих пор нет однозначного ответа на все вопросы энергетики природных вихревых образований.

Для возникновения смерчей наиболее благоприятные условия возникают в грозовых облаках, откуда эти вихри обычно и опускаются к земле. По данным американских исследователей, опубликованных на сайтах интернета, в США, где смерчи образуются примерно в 40...60 раз чаще, чем в Европе, частота их возникновения по месяцам года параллельна частоте образования гроз. В США ежегодно отмечается в среднем до 1000 торнадо, при которых в среднем погибает около 80 человек, а 1500 получают ранения. Торнадо могут появляться на начальной стадии быстро развивающихся гроз, которые возникают в тёплой и влажной воздушной массе при вторжении холодных атмосферных фронтов, движущихся с запада на восток. Зимой и ранней весной торнадо формируются на мощных атмосферных фронтах, образующихся над центральными штатами, где в это время года проходит граница между тёплыми и сухими воздушными массами на востоке и наиболее прохладными и влажными – на западе. Образовавшиеся в таких неустойчивых атмосферных условиях фронты начинают смещаться на восток. При этом наблюдается пик числа торнадо, которые наносят разрушения сразу в несколько штатов. Следует отметить, что только около двух процента из всех торнадо являются разрушительными, 69 процентов приходится на слабые торнадо, а остальные – на считающиеся сильными. Время существования разрушительных торнадо может достигать 1 часа, тогда как для остальных двух типов оно составляет 1-10 минут и 20 минут соответственно.

Не углубляясь в анализ физики возникновения природных вихрей и множества гипотез вихревых образований, рассмотрим их характерные особенности.

Главной особенностью природных атмосферных вихрей является образование вращающейся воронки паровоздушных масс. На начальной стадии под воздействием грозовых разрядов и градиентов давления и температуры возникает вращение огромных масс материнского грозового облака с последующим формированием воронки и далее так называемого хобота, который распространяется до поверхности земли. Аналогичная картина наблюдается при истечении жидкости из емкости в сливное отверстие. То есть происходит формирование пространственной воронки, в области которой происходит вращение локальных масс по спирали. Упрощенная модель вихреобразования представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Модель вихревого движения.

Рассмотрим изменение кинетической энергии вращения масс в представленной на рисунке 1 модели при переходе из верхнего слоя вращения в нижний, где образуется устойчивый хобот вихря. Будем считать угловые скорости ω₁ и ω₂ вращения масс в разных слоях вихря постоянными и то, что вся масса движущихся частиц в плоскости вращения вокруг оси Z с приведенным радиусом вращения R, перейдет, уплотнившись в плоскость вращения с приведенным радиусом r. То есть будем рассматривать единичную высоту вращающегося слоя. Для газовых смесей такое допущение вполне реально. В случае рассмотрения вихревого движения несжимаемой жидкости следует учитывать постоянство расхода жидкости, которое обуславливает изменение высоты вращающегося слоя в зависимости от изменения радиуса вращения от R до r.

Очевидно кинетическая энергия вращения в начальном слое Т₁ и в конечном слое Т₂ , как известно, будут равны

Т₁ = 0,5 ω₁² ∫dm_i R_i² = 0,5 ω₁² М R² = 0,5 J₁ ω₁², (1)

Т₂ = 0,5 ω₂² ∫dm_i r_i² = 0,5 ω₂² М r² = 0,5 J₂ ω₂², (2)

где dm_i – элементарные массы вращающихся частиц, R_i и r_i – расстояния элементарных масс до оси вращения в соответствующих слоях, М – суммарная масса вовлеченных вращающихся частиц, R и r – приведенные радиусы вращения суммарных масс в соответствующих слоях, J₁ и J₂ – моменты инерции вращающихся суммарных масс относительно оси вращения Z в соответствующих слоях.

В соответствии с законом сохранения момента количества движения в разных слоях вращения с учетом допущения постоянства суммарной массы М вращающихся частиц можно записать следующее

J₁ ω₁ = J₂ ω₂ или ω₁ R² = ω₂ r². (3)

Из выражения (3) определяется степень возрастания угловой скорости ω₂ в процессе вихреобразования

ω₂ =ω₁ ( R / r)². (4)

Подставив выражение (4) в (2) и, учитывая (1), получим

Т₂ = (R/ r)² Т₁. (5)

Таким образом, в сформировавшихся воронках природных вихрей происходит возрастание скорости вращения и соответственно кинетической энергии вращающихся масс хобота в квадратичной зависимости от отношения радиуса начального вращения масс грозового облака к радиусу конечного вращения масс в хоботе. Получив импульс вращения масс грозового облака на радиусе, к примеру, в 500 метров и, сформировав хобот радиусом 50 метров, кинетическая энергия вихря возрастет в 100 раз.

Теперь становится понятным механизм концентрации энергии вращающихся масс торнадо и смерчей. Чем больше масс грозового облака будет вовлечено в процесс формирования вихря и чем больше будет начальный вращательный импульс и соотношение геометрических размеров зоны вращения масс в облаке и хоботе, тем больше кинетической энергии вращения будет сконцентрировано в хоботе вихря. Эта энергия определяет продолжительность существования вихрей. Разрушительная способность торнадо и смерчей определяется по всей вероятности степенью разряжения в их внутренней области. При соприкосновении нижней части хобота с поверхностью земли торнадо и смерчи начинают работать как пылесос, всасывая все, что попадающиеся на пути – предметы, животных и людей.

Понимание природы энергетики природных вихрей имеет большое значение для практического применения в разработках фундаментальных и инновационных технологий и инженерных расчетов устройств, основанных на вихревом эффекте.

Знание закономерностей процессов вихреобразование позволяет по новому взглянуть на существующие вихревые технологии [4] и позволяет обеспечить рациональный подход к разработке новых технологий основанных на использовании вихревого эффекта [5].

Литература:

1. Ахмедов Р.Б. и др. Аэродинамика закрученной струи. – М.: Энергия, 1977, - 240с.

2. Потапов Ю.С., Фоминский Л.П. Вихревая энергетика и холодный ядерный синтез с позиции теории движения. – Кишенев – Черкассы: «ОКО – Плюс», 2000, - 387с.

3. Бердинских В.В. Гидродинамические основы физики свободной энергии. Часть 1, 2, 3. «Аномальные физические явления в энергетике и перспективы создания нетрадиционных источников энергии» Сборник докладов научно-технической конференции (15-16 июня 2005г., г. Харьков, Украина). – Харьков: ООО «Инфобанк», 2005, с. 97-121.

4. Шаубергер В. Энергия воды. – М.: Яуза, Эксмо. 2008. – 320с.

5. Лысенко В.С., Кулжабаев Б.Д. Способ преобразования энергии и гидравлическая энергетическая установка. ИП РК № 25769, Опубл. 15.05.2012, бюл. № 5.