Механика на флуидите

В случай че не сте наясно (аз поне не бях), хидрогазодинамиката (по-често наричана механика на флуидите) е дял на класическата механика, изучаващ физическото поведение на течностите и газовете (наричани общо флуиди).

В чисто математическо изражение тази наука е просто поредната скучна и сива поредица от цифри и формули, но в емпиричната действителност представлява истинска природна арт форма. Зад сухите серии сложни изчисления, описващи движението на различните газове и течности, се крие един непознат, вълшебен свят на удивителни цветове и форми, мистериозна красота и пленително очарование.

Не ви се вярва? Вижте следните няколко кадъра, запечатани с помощта на рядка комбинация от специални оцветители, уникални фотографски техники и известна доза късмет.

Свръхзвуковата шокова вълна

Когато един обект се движи със скорост, надвишаваща скоростта на звука, с него започват да се случват странни неща. Куршумът, който виждате на снимката, например се движи толкова бързо, че разположените пред него въздушни молекули не успяват да се отдръпнат от пътя му навреме. В резултат те се струпват пред него, оформяйки фронт от компресиран въздух, известен като „шокова вълна”.

Когато скоростта на обект надвиши тази на звука, той формира плътен фронт от сгъстен въздух, известен като "шокова вълна"

Същото нещо се случва и при движението на свръхзвуковите самолети. Когато скоростта им превиши тази на звука, те формират шокова вълна пред себе си. Гръмовният шум, който чувате, когато минават в близост до вас, всъщност представлява вълна от компресиран въздух.

Въздушните водовъртежи на Фон Карман

Едва ли знаете кой точно е Теодор фон Карман и що за чудо е т.нар. Метод на особеностите, описващ поведението на безвихрово течение на идеален (безвискозен) баротропен флуид. Спокойно, и аз не знам какво означават всички тези сложни думички – прочетох ги в Wikipedia. Бедните ми познания по физика обаче не ми попречиха да оценя красотата на кадъра по-горе, запечатал движението на облачната покривка над Тихия океан. Тласкани от вятъра, облаците срещат препятствие по пътя си (под формата на Алеутските острови, разположени в близост до Аляска) – на снимката това са двете малки черни точки вдясно.

Когато въздушните потоци се сблъскат със стационарен обект (в случая остров), те се завихрят по особен начин около него. Това явление създава област с по-ниско барометрично налягане непосредствено зад препятствието.

Сблъсъкът на движещ се флуиден поток с неподвижен обект създава опашка от красиви завихряния.

При движението си напред потокът се „накъдря” по посока на областта с по-ниско налягане. Оформилият се вихър се завърта и се откъсва от останалата част на потока.

Обратна тяга

Това е феномен, който се наблюдава, когато водещият обект среща по-малко съпротивление отколкото обектите, разположени след него. Добър пример за подобно явление е случаят, в който динамичен поток се сблъсква с пасивни обекти (като флагове например), разположени последователно един след друг. Знамената по принцип се разглеждат като пасивни обекти, тъй като се веят с всеки порив на вятъра, за разлика от хората например, които се разглеждат като твърди, неподвижни обекти.

 

Особен вид завихряне, което намалява съпротивлението на водещия обект за сметка на следващия го.

На снимката двете S-образни форми всъщност са флагове, снимани от горе и разположени един зад друг. Второто знаме „разсича” потока, създаван от водещия флаг, и по този начин този в по-предна позиция на практика среща по-малко съпротивление отколкото обектът зад него.

Неустойчивост на Сафман – Тайлър

Още една комплексна физична зависимост, която обаче изглежда повече от пленително, наблюдавана на практика. Уникалните форми, които виждате на снимката, всъщност са резултат от взаимодействието между флуиди с различен вискозитет (плътност). По-наблюдателните от нас със сигурност са забелязвали какво се случва, когато се смесят, да речем, вода и масло или дори и мляко и кафе.

Красивият ефект, който създава разливи, подобни на пръстите на човешка длан, се получава, когато се смесват течности с различна плътност

Запечатаното на кадъра не е чак толкова апетитно и показва процеса на смесване между вода и глицерин.

Конвекция

Това дори и аз си го спомням от физиката в средното училище. Това е процес на движение на молекулите в течност или газ под въздействието на топлина. На снимката е показан класически случай на конвекция, възникващ над съд с гореща вода. Въздухът около него се нагрява и започва да се издига в посока нагоре. Колкото по-нависоко отива, толкова повече ще се охлаждат молекулите му и в крайна сметка, когато изстинат достатъчно, те ще се спуснат обратно надолу, притеглени от гравитацията.

На втората снимка се вижда кубче лед, пуснато в съд с вода.

Охладената течност около него се завихря по особен начин, тъй като студената вода е с по-висока плътност от топлата и съответно по-тежка.

За това тя започва да потъва бързо към дъното на съда.

Кавитация

Освен популярна напоследък козметична процедура кавитацията представлява природен феномен, свързан с процеса на образуване на кухини във флуиди, когато в резултат на високата им скорост тяхното налягане спадне в съответствие със Закона на Бернули. В основата си тя се базира на т.нар. кумулативен ефект. Запълнените с пара кухини изчезват, когато попаднат в области с по-високо налягане, а полученото ударно налягане може да предизвика образуването на вдлъбнатини по повърхността на твърди тела.

Ефектът се наблюдава главно при корабните витла (или в частност при механизми, които работят в хетерогенна среда). Когато перките се движат с висока скорост през плътна течност (вода например), те създават кухини в нея. Впоследствие кухините (или мехурите) колабират от само себе си, създавайки шокови вълни.

Когато бързодвижещ се обект (например корабно витло) преминава през флуид (течност), той създава в него кухини с кратък живот, които почти незабавно имплодират.

Подобни кухини могат да се формират и когато малка област от течността (вода например) бъде ударена от електрическа искра или лазер. Точно това можете да видите на видеото по-долу. В подобни случаи това създава мехурче газ, което бързо имплодира и генерира шокова вълна.

На снимката горе пък е запечатано мехурче газ, създадено с помощта на лазер във водна капка. При колапса си мехурчето създава две вълни – първична и вторична.

Неустойчивост на Келвин  – Хелмхолц

Още едно сложно наименование на интересно явление, което виждате запечатано на снимката по-горе. Тя илюстрира какво се случва, когато два въздушни потока се движат успоредно един на друг, но с различна скорост.

Резултатът е т.нар. Неустойчивост на Келвин – Хелмхолц. При възникването й в областта, в която двата потока се срещат, възниква триене, предизвикващо серия завихряния.

Наблюдаването на Неустойчивост на Келвин – Хелмхолц доказва, че атмосферата на планети като Сатурн (на снимката) е съставена от различни газови слоеве.

Еластични течности

Обикновено, когато наливате една течност в друга, те просто се вливат една в друга нали? Невинаги е така обаче. Ако течността, в която наливате, се движи, потокът който се влива, може да отскочи и да се получи странният ефект, заснет на кадъра по-горе.

Снимката показва струя силиконово масло, вливаща се в съд, пълен със същата течност.

Когато потокът се сблъска с тънкия въздушен слой непосредствено над течността, неговата тежест го огъва подобно на гумен батут и повърхностното напрежение изтласква потока нагоре, карайки го да отскача.