Таким образом, смешиваете ли вы оливковое масло с водой в стакане, наблюдая за слоями, смотрите как молоко растворяется в кофе, или потными ладошками вжимаетесь в ручку подлокотника суперсовременного самолёта, опасаясь, что лёгкая тряска приведёт к катастрофе – речь идёт о числе Рейнольдса и разделении хаоса от порядка. Но, что является более интересным - это порядок в хаосе. Мы не будем вдаваться в детали теории хаоса, описывающей поведение динамических систем, подверженных случайным изменениям. Но если хаотичная турбулентность — это солянка, учитывающая всё и сразу – ветер, облака, движения самолёта, десятки вихрей, стаи птиц, давление, влажность, вес вашей салями, которую вы сдали в багаж… То её отдельные составляющие – вполне понятные физические явления, окружающие нас и вполне подверженные наблюдению, иногда даже не вставая с дивана.
Вихревая дорожка Кармана, названная так в честь американского физика Теодора фон Кармана представляет из себя цепочки вихрей, возникающие при обтекании жидкостью или газом цилиндрических тел. Это может быть прямой поток ветра, огибающий трубу, течение воды в реке, огибающее опоры моста.
В любом случае поток, натыкаясь на цилиндр, обогнув его начинает формировать цепочку вихрей, срывающихся поочередно с разных сторон объекта. Природа подарила нам множество примеров титанического масштаба, позволив наблюдать его на облаках, обтекающих горы или острова в океане. Явления иногда настолько масштабны, что их видно из космоса.
А самым ранним примером известным человечеству является Эолова арфа – музыкальный инструмент, играющий без участия человека. Внутри коробки резонатора, открытого ветрам бога Эола натянуты струны. Ветер, обтекая их, заставляет их вибрировать, что создаёт звук, а переменность ветра обеспечивает относительное разнообразие мелодии. Вы с легкостью может собрать свою Эолову арфу и сводить сума соседей по участку мистическим резонирующим воем в разных тональностях.
Явление легко наблюдать если, например начнёте мешать соломинкой свой коктейль или какую-нибудь жижу, позади цилиндрической соломинки также можно будет увидеть череду воронок, возникающих последовательно по обеим сторонам.
Это явление несёт и негативные последствия. Для того чтобы избегать вибрации и раскачиваний при сильном ветре высотные сооружения приходится строить, варьируя их по высоте и форме (отличный пример – Бурдж-Халифа). На цилиндрические башни добавляют интерцепторы – гигантскую резьбу, нарушающую образование вихрей. Или попросту стараются избегать прямой формы, делая сужения или расширения в конструкции. На проводах линий электропередач кстати именно поэтому можно найти гантелеобразные гасители вибрации.
Нестабильность по Кельвину-Гельмгольцу. Несмотря на загадочное название, явление безусловно давно вам знакомое. Суть теории в том, что она предсказывает наступление неустойчивости и переход в турбулентность потоков разной плотности и движущихся с разными скоростями. Самым типичным примером будет ветер и море. Именно так образуются волны. Поток воды имеет большую плотность, чем воздух, разную температуру и разную скорость. При взаимодействии они начинают смешиваться, но притяжение земли возвращает воду обратно в море. Казалось бы, что такого может быть интересного в теории, описывающей возникновение волн и уравнении Тейлора-Гольдштейна, позволяющего их рассчитать.
Ну как минимум то, что она применима к чему угодно. Это явление может возникать в облаках: когда потоки воздуха с разной скоростью встречаются друг с другом. На тяжёлые и плотные облака налетает быстрый и разряженный ветер – образуются волны, и вы смотрите на них глазами «гипотетической рыбы», находясь под ними.
Это могут быть турбулентные потоки раскаленного воздуха из реактивного двигателя, смешивающиеся с обычным воздухом. Это могут быть даже кольца Сатурна… Которые тоже имеют разную плотность и скорость.
Кстати, об облаках. Когда-нибудь видели «вымеобразные»? Они правда так называются, хотя больше похожи на кошмарный залив соседями сверху вашего натяжного потолка. Огромные формы – в виде ячеек свисают с неба преимущественно в тропиках и связаны с тропическими циклонами. Если поедете в жаркие страны в «несезон» – и хватит смелости вылезти под тропический ливень, может быть вам повезёт и вы не только промокнете, но и увидите или подхватите что-нибудь интересное – везение штука такая.
Ячейки имеют размер около полукилометра, резко очерчены и их нежный серо-голубой цвет ни с чем не спутаешь. Они являются вторым по популярности примером неустойчивости Рэлея-Тейлора (смотря что вам нравится больше: лава лампа или ядерный взрыв). Смысл линейной теории устойчивости и задачу о неустойчивости Рэлея-Тэйлора легко представить если провести наглядный опыт (ну или хотя бы представить). Если более плотную и тяжелую жидкость в условиях гравитации поместить поверх менее плотной (вода и нефть, к примеру), разделив их каким то препятствием, а затем резко его убрать – вы увидите подобие ядерного гриба. Направленного вниз. Шляпка гриба быстро вырастет вниз, образуется ножка с множественными вихрями. Это происходит не только из-за разнице в плотности, но и из за того что гравитация (а в случае с ядерным взрывом – собственно взрыв) задают более плотной среде ускорение.
Что касается ядерного гриба, то неустойчивость Рэлея-Тейлора требует разницы сред. Это объясняет почему поднятая пыль, вода или грунт дают характерный ядерный гриб при взрыве на земле и на поверхности воды, а высотные подводные или глубоко подземные – не дают, так как среда однородна. Эффект существует не только на земле, наверное, самым большим примером является Туманность Краба, в которой нейтронная звезда PSR B0531+21 втягивает в себя остатки тумана от взрыва сверхновой.
Неустойчивость Рэлея-Тейлора часто путают с неустойчивостью Рэлея-Плато, которая утверждает, что даже в полной невесомости столб жидкости разрушается, если его длина превышает радиус кривизны поверхности жидкости. Говоря простыми словами – все жидкости, из-за силы их поверхностного натяжения имеют тенденцию минимизировать площадь поверхности. Тонкая струйка из-под крана разобьется на капли в тот момент, когда площадь капель воды такого же объема, как и объём струйки - окажется меньше. А благодаря уравнению Юнга-Лапласа – можно рассчитать размеры капель для разных жидкостей. Помимо натяжения объяснение нестабильности кроется в микровозмущениях потока, которые по мере роста длины потока нарастают.
Струя воды из чайника, текущая в чашку, не прерывается, но если увеличить расстояние и лить чай в шляпу, стоящую на полу – струя начнёт распадаться на капли, даже если вы увеличите объём потока и будете лить быстрее.
В общем-то в быту полным-полно разных наблюдаемых эффектов, которые одновременно описывают самые сложные устройства, события космических масштабов, и поведение жидкостей в вашем туалете. Бытовым примером является так же Эффект Коанда.
Он описывает тенденцию реактивного потока оставаться около близлежащей поверхности. Открытие румынского пионера аэродинамики можно наблюдать, подсунув столовую ложку под струю воды выпуклой стороной, этот же эффект задействован при направлении потока воздуха от кондиционера, когда прилипание свежего воздуха к потолку обеспечивает лучшую вентиляцию помещения. Действие обусловлено зоной низкой давления между потоком и поверхностью, по отношению к пространству над потоком.
Этот же эффект до сих пор пытаются использовать при создании двигателей и летательных аппаратов нестандартных свойств. Да, да, если соберётесь строить летающую тарелку – ознакомьтесь с трудами румына Анри. Реальных летательных средств на основе или с использованием этого эффекта не так много. К примеру, Ан-72, в котором вынос двигателя вперёд позволил увеличить подъёмную силу крыла и сократить расстояние необходимое для взлёта.
Это всего несколько интересных примеров, на которых простой обыватель может убедиться в многообразии физических явлений и эффектов, существующих в нашем насыщенном мире. Если же вернуться в кресло самолёта – то, как правило болтанка вызвана изменением плотности воздуха за бортом.
На большой высоте её почти нет, так как воздух разряжен, а потоки однородны и почти не подвержены влиянию солнца, испарений, рельефа. Внизу же творится настоящий и непредсказуемый хаос. Разные эффекты встречаются друг с другом, холодный ветер упирается в массы тёплых облаков, смешиваясь с испарениями от земли, сливаясь в разные потоки, вихри и системы вихрей, смешиваясь и растворяясь, формируя из порядка хаос и наоборот.