Чому гудуть дроти
В. Жуковський. "Еолові арфа"
Ще стародавні греки помітили, що струна, натягнута на вітрі, іноді починає мелодійно звучати - співати. Можливо, вже тоді була відома еолові арфа, названа по імені бога вітру Еола. Еолові арфа складається з рамки, на якій натягнуто кілька струн; її поміщають в такому місці, де струни обдуваются вітром. Якщо навіть обмежитися однією струною, можна отримати цілий ряд різних тонів. Щось подібне, але з набагато меншим розмаїттям тонів відбувається, коли вітер призводить в рух телеграфні дроти.
Досить довго це явище і багато інших, пов'язані з обтіканням тіл повітрям і водою, не були пояснені. Тільки Ньютон, основоположник сучасної механіки, дав перший науковий підхід до вирішення таких завдань.
Згідно із законом опору руху тіл в рідині або газі, відкритого Ньютоном, сила опору пропорційна квадрату швидкості:
Тут v - швидкість тіла, S - площа його перерізу, перпендикулярного напрямку швидкості, # 961; - щільність рідини.
Надалі з'ясувалося, що формула Ньютона вірна не завжди. У тому випадку, коли швидкість руху тіла мала в порівнянні зі швидкостями теплового руху молекул, закон опору Ньютона вже не справедливий.
Як ми вже обговорювали в попередніх розділах, при досить повільному русі тіла сила опору пропорційна його швидкості (закон Стокса), а не її квадрату, як це відбувається при швидкому русі. Така ситуація виникає, наприклад, при русі дрібних крапель дощу в хмарі, при осіданні осаду в склянці, при русі крапель речовини А в "Чарівній лампі". Однак в сучасній техніці з її стрімкими швидкостями зазвичай справедливий закон опору Ньютона.
Здавалося б, раз відомі закони опору, можна пояснити гудіння проводів або спів еолової арфи. Але це не так. Адже якби сила опору була постійною (або росла зі збільшенням швидкості), то вітер просто натягував б струну, а не порушував її звучання.
У чому ж справа? Щоб пояснити звучання струни, виявляється недостатньо тих простих уявлень про силу опору, які ми тільки що розібрали. Давайте обговоримо більш детально деякі типи перебігу рідини навколо нерухомого тіла (це зручніше, ніж розглядати рух тіла в нерухомій рідини, а відповідь, зрозуміло, буде той же).
Подивіться на рис. 1. Це випадок малій швидкості рідини, Лінії струму рідини огинають циліндр (на малюнку показано перетин) і плавно тривають за ним. Такий потік називається ламінарним. Сила опору в цьому випадку зобов'язана своїм походженням внутрішнього тертя в рідині (в'язкості) і пропорційна v. Швидкість рідини в будь-якому місці, так само як і сила опору, не залежить від часу (потік стаціонарний). Цей випадок для нас не представляє інтересу.
Але погляньте на рис. 2. Швидкість потоку збільшилася, і в області за циліндром з'явилися вири рідини - вихори. Тертя в цьому випадку вже не визначає повністю характер процесу. Все більшу роль починають грати зміни кількості руху, що відбуваються не в мікроскопічному масштабі, а в масштабі, порівнянному з розмірами тіла. Сила опору стає пропорційною v 2.
І, нарешті, на рис. 3 швидкість потоку ще більше зросла, і вихори вишикувалися в правильні ланцюжка. Ось він, ключ до пояснення загадки! Ці ланцюжки вихорів, періодично зриваються з поверхні струни, і збуджують її звучання, подібно до того, як викликають звучання струн гітари періодичні дотику до них пальців музиканта.
Явище правильного розташування вихорів позаду обтічного тіла вперше було вивчено експериментально німецьким фізиком Бенар на початку нашого століття. Але тільки завдяки подальшим незабаром робіт Кармана такий перебіг, що здавалося спочатку вельми своєрідним, отримало пояснення. На ім'я цього вченого система періодичних вихорів зараз називається доріжкою Кармана.
У міру подальшого зростання швидкості у вихорів залишається все менше і менше часу, щоб розпливатися на велику область рідини. Вихрова зона стає вузькою, вихори перемішуються, і потік стає хаотичним і нерегулярним (турбулентним). Правда, при дуже великих швидкостях в експериментах останнього часу виявлено поява якоїсь нової періодичності, але деталі її до сих пір поки ще не ясні.
Може здатися, що вихрова доріжка Кармана - просто красиве явище природи, яке не має практичного значення. Але це не так. Дроти ліній електропередачі також коливаються під дією вітру, що дме з постійною швидкістю, через відриву вихорів. У місцях кріплення проводів до опор виникають значні зусилля, які можуть призводити до руйнувань. Під дією вітру розгойдуються високі димові труби.