Вихрови пръстени (P
В експериментите, подготвени за лекцията за вихровите пръстени, внесох интересни промени.
Конвенционалната вихрова дисплейна кутия е добре известна и не е необходимо да се описва подробно. Нашето устройство е много по-голямо от обикновено използваното. Това е кубична дървена кутия със страна около метър; една от стените е направена от тънка мушама, свободно окачена, с два диагонала от гумени тръби, здраво завързани в ъглите. Необходими са гумени тръби, за да се осигури връщането на кърпата в първоначалното й положение.
Такава кутия изхвърля въздушни вихри с голяма сила, а ударът на пръстена върху стената на лекционната зала е ясно чуваем и подобен на звука от лек удар с кърпа. Публиката може да добие представа за "твърдостта" на въртящия се вихър, като последователно пуска невидими пръстени в залата. Ударът на пръстена в лицето на човек се усеща като меко натискане на пухена възглавница.
За да се видят пръстените, е необходимо кутията да се напълни със смес от амоняк и хлороводород с помощта на гумени тръби, свързани с две колби, в които кипят NH4OH и HCl. Този метод дава добри резултати. Ориз. 8 е взета от снимка на големи пръстени, получени по този начин. Страничният изглед е от особен интерес: той показва опашката (подобна на тази на комета), която се образува поради триенето на външните части на пръстена срещу атмосферата, докато се движи напред.
Силата на въздушните пръстени може да се покаже по този начин. Нека ги насочим към плоска картонена кутия, стояща на известно разстояние от инсталацията. В този случай кутията веднага се обръща или дори пада на пода. Ударът на вихровия пръстен може да изгаси пламъка на газова горелка; След известно обучение можете да се научите да освобождавате два пръстена в бърза серия,и така, че вторият да лети с малко по-висока скорост от първия. Тогава вторият пръстен настига първия, удря го и отскача; двата пръстена остават непокътнати и се превръщат във вибриращи елипси. Това показва, че газовият вихър има еластичност.
Въпреки че големите завихряния, получени с описаната настройка, са най-подходящи за демонстрация в лекция, аз вярвам, че много по-красиви и симетрични пръстени могат да се получат чрез издухване на дим от хартиена или стъклена тръба с диаметър12,5 cm*. Когато се гледа отстрани на издухани пръстени в неподвижен въздух близо до лампа или на слънчева светлина, се виждат много красиви спирални линии на потока. Успях да снимам един от пръстените по следния начин. Моментен капак беше монтиран на вратата на тъмна стая и дъгова лампа беше фокусирана върху процепа му с помощта на голямо вдлъбнато огледало. Фотографската плака беше монтирана в тъмна стая, така че да беше осветена от разнопосочен лъч от лъчи, идващи от отражението на дъгата в огледалото (когато затворът беше отворен). Пред плочата беше поставена червена лампа и след това пръстените бяха издухани от тръбата. Веднага щом пръстенът, симетричен по форма и не движещ се твърде бързо, беше пред плочата, дръпнахме кабела, водещ към затвора, и плочата беше осветена от ослепителна светкавица. Ясна сянка падна от пръстена поради малкия размер и отдалечеността на източника на светлина. Ориз. 9 е взета от получената снимка. Пръстенът се състои от слой дим и слой въздух, образуващи спирала от няколко завършени завъртания.
* (Дим може да се получи, например, като поставите тлееща хартия в затворена кутия.)
Очевидно ъгловата скорост на въртене се увеличава, когато се приближава до центъра на пръстена, а вътрешните секции са защитени от триене (ако е възможноприлагайте този термин) съседни въртящи се слоеве. Това може лесно да се покаже чрез модифициране на експеримента, например чрез създаване на въздушен пръстен със сърцевина от дим. Ако направим малка вихрова кутия с дупка, да речем,2 cm, напълним я с дим и леко ударим стената, това, което изглежда като дебел пръстен, който се върти много бавно. Ако обаче премахнем дима от въздуха, изсипем няколко капки амоняк в кутията и намажем концентрирана HCl на дъното на отвора на кутията, тогава димът ще образува тънък слой в дъното на отвора. След лек удар в стената димът преминава в сърцевината на пръстена, а останалата част от пръстена остава невидима. Видимата част на вихъра се въртеше с изненадващо висока скорост. Необходима е много сръчност, за да създадете тези подобни на полумесец фини вихри. Най-добри резултати обикновено се получават след няколко опита. Изглед на едно такова ядро от дим е показано на фиг. 10. Действителният размер на вихъра е отбелязан с пунктирани линии. Този експеримент не работи в голям мащаб, въпреки че постигнах известен успех при пръскане на амоняк в горната част на дупката със зигзагообразна желязна жица, нагрята от ток.
Като вземете някои предпазни мерки, можете да получите димен полупръстен като на фиг. 11. Това е брилянтна илюстрация, че образуването на пръстени по никакъв начин не зависи от наличието на дим. Най-добрият начин да получите половин пръстени е да издишате дима много леко в хартиена тръба, като го оставите да тече по дъното на тръбата, докато стигне до края. След това пръстенът се изтласква с леко издишване. Може би е по-добре експериментът да се проведе в голям аеродинамичен тунел с дупка на дъното, тъй като в този случай човек може да наблюдава явленията, случващи се вътре. Достатъчно лесно е да получите пръстен, в който повечето отдимът е концентриран в долната половина; но получаването на пръстен, чиято половина е напълно невидима и такъв, че ръбът на дима да е рязко очертан (както е показано на фиг. 11), изисква много практика. Опитах различни схеми, за да получа тези полу-пръстени в голям мащаб, но нито една от тях не даде резултати, заслужаващи споменаване. Изглеждаше, че използването на гореща тел с амоняк е най-обещаващият метод, но не получих рязко очертана граница на дима и това е, което отличава малките пръстени, получени с тръба.
За да се обясни образуването на вихрови пръстени, въртеливото движение често се приписва на триенето между изтичащите въздушни струи и ръба на отвора. В по-голямата си част обаче образуването на вихри причинява триене с атмосферния въздух. За да илюстрирам тази гледна точка, измислих вихрова кутия, в която триенето с ръба на отвора отсъства или по-точно се компенсира чрез изравняването му по цялото сечение на изходящата струя. Приблизително 200 отвора с диаметър1,7 mmвсеки са пробити в дъното на цилиндрична тенекиена кутия (фиг. 12). Ако кутията се напълни с дим и се изпусне силна струя въздух, от ситовидната повърхност се отделя красив вихров пръстен. Човек може просто да покрие края на хартиената тръба с опънато опънато парче ленен плат и да издуха дим през него.
При експерименти с кутия, оборудвана с два кръгли отвора, наблюдавах сливането на два пръстена, движещи се един до друг в един голям пръстен. Ако пръстените имат висока скорост на въртене, те отскачат един от друг, но ако пръстените се въртят бавно, те се свързват. В момента на свързване формата на вихъра е много нестабилна. Свързаните пръстени се променят рязкохоризонтално към вертикално толкова бързо, че е трудно да се забележи, и след това бавно приема формата на пръстен. Същото може да се покаже с две хартиени тръби, държани под различни ъгли на устата и почти успоредни една на друга. Във всеки случай въздухът в стаята трябва да е практически неподвижен.