Когда пузырек всплывает, некоторая масса воды устремляется вниз, заполняя освобожденное место. Пузырек взаимодействует с движущейся, а не с неподвижной водой. Внешне это выглядит так, что c массой всплывающего пузырька движется “присоединенная масса” воды, которая равна?m=Vr/2,т.е. половине массы вытесненной воды. Это происходит из-за сложного движения жидкости вокруг самого пузырька.
Ламинарные и турбулентные течения в природе и технике
Если подсчитать число Рейнольдса для атмосферных и океанских течений, то окажется, что они очень велики. Это указывает на то, что такие течения не могут быть ламинарными. Действительно, все мы видели, что даже легкий ветерок заставляет трепетать флаги, т. е. воздушные потоки имеют вихревую структуру. В природе вихри появляются в той части потока, где скорость быстро меняется в направлении, перпендикулярном потоку. Каждому приходилось видеть вихри в быстрой реке на переходе от быстрины к замедленному течению у берега. Целая цепочка вихрей может тянуться за движущимся автомобилем, что особенно удобно наблюдать в снегопад.
Вихревой характер сильного ветра был замечен в 1821 г. У. Рэдфилдом, содержателем небольшого магазина в штате Коннектикут (США), который обратил внимание на поваленные после шторма деревья. В одном месте деревья лежали макушками к северо-западу, тогда как на некотором расстоянии макушки указывали на прямо противоположное направление. Отсюда Рэдфилд сделал вывод, что шторм представляет собой вращательную систему ветров. Беседуя с моряками и анализируя судовые журналы, он установил направления вращения крупных вихрей и нашел траектории их центров. В 1831 году вышел труд У. Рэдфилда, излагающий результаты его исследований.
Оказалось, что вихревые системы в атмосфере Земли бывают двух видов – циклоны и антициклоны. В Северном полушарии Земли все циклоны вращаются против часовой стрелки, а антициклоны - по часовой, в Южном – наоборот. Направление вихрей определяется силой Кориолиса. В тропиках циклоны забирают энергию от нагретой поверхности океана и приобретают огромную мощь. За один день большой ураган расходует энергию, равную энергии взрыва 13 000 мегатонных ядерных бомб. Диаметр тропического циклона, его еще называют ураганом или тайфуном, составляет несколько сот километров, высота – до 12-15 км, скорость ветра достигает 400 – 600 км/час. Самые большие скорости ветра в урагане наблюдаются вокруг так называемого “глаза бури” - зоны покоя в центре урагана.
Внетропический циклон (называемый обычно просто циклоном) – это самый крупный атмосферный вихрь, достигающий в поперечнике нескольких тысяч километров в поперечнике. Высота его колеблется между 2 - 4 и 15 – 20 км. Скорость ветра в нем в большинстве случаев не превышает 40 – 70 км/час. Внетропические циклоны “глазом” не обладают.
Еще четче зона покоя (полость) выражена у мелкомасштабных вихрей – смерчей (торнадо, тромбов). Размеры их очень малы: ширина – от нескольких метров до 2 – 3 км, в среднем 200 – 400 м, высота от нескольких десятков до 1500 – 2000 м. Скорость ветра в смерче иногда превышает звуковую (1200 км/час!).
Если атмосферные вихри известны давно, аналогичная система океанских течений была обнаружена советскими океанологами в конце 20-го века. Это было выдающимся открытием.
В атмосфере больших планет также наблюдаются вихревые образования. Особенно удивительно так называемое Красное пятно на Юпитере, вихрь, устойчиво существующий в течение всех лет наблюдений в телескопы. На Солнце к вязкости, инерционным силам добавляются еще силы взаимодействия с магнитным полем. Это усложняет структуру солнечных протуберанцев. В межзвездных туманностях также можно наблюдать вихревые образования. Возможно, что галактики образовались как турбулентные вихри при расширении вещества Вселенной.
Ламинарное течение наблюдается при течении крови по капиллярам и кровеносным сосудам. Было обнаружено, что дельфины могут эффективно подавлять возникновение турбулентности, благодаря чему могут быстро и бесшумно перемещаться в воде. Созданные под влиянием этих исследований специальные покрытия позволили сделать бесшумные подводные лодки. Подводная лодка “Варшавянка”, она же “Kilo” или “Черная дыра” обладает шумностью на уровне естественных шумов океана.
Было обнаружено, что малые добавки некоторых полимеров переводят турбулентное течение в ламинарное. Это приводит к резкому снижению сопротивления. Сейчас эти добавки используются пожарными, чтобы увеличить скорость вытекания струи из брандспойта.