De ce firele sunt bâzâitoare
V. Zhukovsky. "Harpa eoliană"
Chiar și vechii greci au observat că un șir întins în vânt uneori începe să sune melodic - să cânte. Poate că, chiar și atunci, era cunoscută harfa eoliană, numită după zeul vântului Aeolus. Harpa eoliană constă dintr-un cadru pe care sunt întinse mai multe corzi; acesta este plasat într-un loc unde sforile sunt suflate de vânt. Chiar dacă vă limitați la un șir, puteți obține o serie întreagă de tonuri diferite. Ceva similar, dar cu o varietate mult mai mică de tonuri apare atunci când vântul conduce firele telegrafice.
De mult timp, acest fenomen și multe altele legate de fluxul de aer și apă în jurul corpurilor nu au fost explicate. Doar Newton, fondatorul mecanicii moderne, a dat prima abordare științifică în rezolvarea unor astfel de probleme.
Conform legii rezistenței mișcării corpurilor într-un lichid sau gaz descoperit de Newton, forța de rezistență este proporțională cu pătratul vitezei:
Aici v este viteza corpului, S este zona secțiunii sale transversale perpendicular pe direcția vitezei, # 961; este densitatea lichidului.
Mai târziu sa dovedit că formula lui Newton nu este întotdeauna corectă. În cazul în care viteza de mișcare a corpului este mică în comparație cu vitezele mișcării termice a moleculelor, legea rezistenței lui Newton nu mai este valabilă.
Așa cum am discutat în secțiunile anterioare, atunci când corpul se mișcă destul de lent, forța de tracțiune este proporțională cu viteza sa (legea lui Stokes) și nu cu pătratul său, așa cum o face cu mișcarea rapidă. O astfel de situație apare, de exemplu, atunci când picături mici de ploaie se deplasează într-un nor, când sedimentul se așează într-un pahar, când picături de substanță A se deplasează în lampa magică. Cu toate acestea, în tehnologia modernă cu viteze rapide, legea rezistenței lui Newton este de obicei valabilă.
S-ar părea că, odată ce știm legile de rezistență pot fi atribuite firele colibri sau cântând la harpă Eolian. Dar nu este așa. La urma urmei, în cazul în care forța de rezistență este constantă (sau crescut odată cu creșterea vitezei), vântul ar fi pur și simplu tras șir, și nu se amestecă sunetele sale.
Ce sa întâmplat? Pentru a explica sunetul șirului, nu este suficient să se înțeleagă noțiunea simplă a rezistenței, pe care tocmai am dezmembrat-o. Să discutăm în detaliu câteva tipuri de flux de lichid în jurul unui corp staționar (aceasta este mai convenabilă decât luarea în considerare a mișcării unui corp într-un fluid staționar, iar răspunsul, desigur, va fi același lucru).
Uită-te la Fig. 1. Acesta este cazul unui fluid de viteză redusă, liniile de curgere a fluidului în jurul cilindrului (secțiunea transversală este prezentată în figură) și continuă fără probleme în spatele acestuia. Un astfel de flux se numește flux laminar. Forța de rezistență în acest caz se datorează originii sale în frecare internă în fluid (vâscozitate) și este proporțională cu v. Viteza fluidului în orice loc, precum și forța de rezistență, nu depind de timp (curgere staționară). Acest caz nu ne interesează.
Dar uitați-vă la Fig. 2. Viteza fluxului a crescut, iar în regiunea din spatele cilindrului au apărut vârtejuri de vîrfuri lichide. Fricțiunea în acest caz nu determină complet natura procesului. Un rol crescând îl joacă schimbările în cantitatea de mișcare care nu apare la scară microscopică, ci pe o scară comparabilă cu mărimea corpului. Forța de rezistență devine proporțională cu v 2.
Și, în sfârșit, în Fig. 3 debitul a crescut și mai mult, iar vârtejurile sunt aliniate în lanțurile drepte. Aici este, cheia explicării puzzle-ului! Aceste lanțuri de vârtejuri care se rup în mod periodic de pe suprafața șirului și-și încânta sunetul, la fel cum sunetul corzilor de chitară atinge periodic degetele muzicianului.
Fenomenul localizării corecte a vîrtejelor din spatele corpului raționalizat a fost studiat pentru prima oară experimental de către fizicianul german Benard la începutul acestui secol. Dar numai datorită lucrării ulterioare a lui Karman a fost explicat un astfel de flux, care la început părea foarte ciudat. Prin numele acestui om de știință, sistemul de vulturi periodice este acum numit calea lui Karman.
Pe măsură ce viteza vîrtejului crește, mai puțin și mai puțin timp este lăsat să se estompeze într-o regiune mare a lichidului. Zona de vârtej devine îngustă, vortexurile sunt amestecate, iar fluxul devine haotic și neregulat (turbulent). Este adevărat, la viteze foarte mari, o nouă periodicitate a fost descoperită în experimentele recente, dar detaliile ei încă nu sunt încă clare.
Se poate părea că drumul vortex al lui Karman este pur și simplu un fenomen frumos al naturii, care nu are nici o semnificație practică. Dar nu este așa. Firele liniilor de transmisie a energiei oscilează, de asemenea, sub acțiunea unui vânt care suflă cu o viteză constantă, datorită detașării vârtejelor. În locurile în care firele sunt fixate pe suporturi, se exercită eforturi considerabile, ceea ce poate duce la distrugere. Coșurile înalte se leagă sub influența vântului.