Многомерное закручивающееся спиралевидное течение

Если воду, содержащую крупные взвешенные частицы, сначала взболтать в стеклянной мензурке, а затем оставить ее вращаться самостоятельно, то взвешенные частицы сами по себе сконцентрируются около оси вращающегося цилиндра воды. Это известное естественное явление уже используется на практике в циркулярном пескоуловительном механизме компаниями Geiger, Karlsruhe и в «Гидроциклоне» компании Stami-Carbon для очищения воды от примесей. В обоих случаях содержимое цилиндрических контейнеров вращают, подавая струю воды по касательной к окружности цилиндра, что» как считается, и является причиной концентрации взвешенных частиц по вертикальной оси поворачивающегося цилиндра жидкости. Однако, если воду подавать из большого вместительного контейнера в водозаборную трубу и при этом заставлять ее вращаться то быстрее, то медленнее, сформировывается всасывающая воронка, размер и глубина которой изменяется в зависимости от скорости течения в водовыпуске. Внимательные люди часто наблюдают формирование таких всасывающих воронок в сливах ванн и бассейнов. Закручивание воды в трубе развивается от входного отверстия в направлении водовыпу-ска, и дальнейшее движение воды непосредственно в трубе водовыпуска становится результатом этих взаимных влияний, течение состоит из одновременно объединенных нескольких трехмерных пространственных кривых, которые можно сделать видимыми нижеизложенным образом.

Вода вытекает из сосуда, в котором постоянно поддерживается уровень воды, в стеклянную трубу 40 мм¹ в диамет-

Чтобы помочь читателю, незнакомому с метрической системой мер, избежать трудностей, связанных с употреблением британских или американских единиц измерения, издатель предоставляет следующие соотношения: 1 литр (л) = 0,22 брит, галлонов = 0,26 амер, галлонов; 1 миллиметр (мм) = 0,03937 дюйма; 1 кв. миллиметр (мм³) = 0,00115 кв. дюйма; 1 куб. миллиметр (мм¹) — 0,00006102 дюйма³; 1 сантиметр (см) = 0,3937 дюймов, 1 кв. сантиметр (см^г) = 0,155 кв. дюйма; 1 куб, сантиметр (см¹) = 0,06102 дюйма³; 1 дециметр (дм) = 3,937 дюйма; 1 кв. дециметр (дм²) = 15,5 кв. дюйма; 1 куб. дециметр (см¹) = 61,02 дюйма³; 1 метр (м) — 39,37 дюйма (3,28 футов); 1 кв. метр(м²)= 10,764 кв, футов; 1 куб, метр (м*) = 35,315 дюйма¹ ре и продвигается вперед с помощью резинового брандспойта 19 мм в диаметре к водоотводу. Если, как в случае испытания 1 (чертеж № 1), сосуд и подача воды были организованы таким образом, что могло развиться только очень слабое спиралевидное движение во входном отверстии трубы, то в случае испытания 2 (чертеж № 2) наращиванию спирального движения преднамеренно помогали форма трубы и тангенциальный приток воды. В испытываемую трубу диаметром 40 мм с площадью сечения 0,125 дм² подавалась вода со скоростью 0,2 и 0,21 л/сек так, чтобы скорость течения в ней была равна около 1,6 — 1,68 дм/сек. Это уже в пределах скорости бурного потока. Тонкая шелковая нить, привязанная к концу, опускалась прямо вниз, в испытательную трубу, и в состоянии покоя, благодаря потоку воды, текущему через трубку, вовлекалась в медленное вращательное движение и становилась похожей на закрученную трехмерную спираль. В эксперименте № 2 искривление нити было сильнее, чем в первом, благодаря более интенсивному закручиванию на водозаборе. Также, помимо этого, было установлено, что мелкозернистые нерастворимые примеси, равномерно распределенные по воде с помощью мелкого сита, собрались в маленькие скопления на протяжении трехмерного спирального пути, обозначенного нитью. Таким образом, можно сделать вывод, что поток, образовывающийся в трубке, не только имеет тройную спиральную конфигурацию, но и вся конфигурация одновременно вращается вокруг собственной оси. (Доказательство: закручивание и одновременное вращение шелковой нити.) Это, помимо всего прочего, доказывается тем, что воздух, содержащийся в воде, концентрируется на протяжении трехмерной спирали в трубе. В зависимости от размера пузырьков во вращающемся околоспиральном водном потоке воздух либо течет вместе с водой, либо снова поднимается вверх. Чтобы более пристально исследовать это многомерное за-вихряющееся движение, были подвешены сразу три шелковые нити к углам распорки в виде равностороннего треугольника

Чертеж 1

Несмотря на то что каждая из этих трех нитей была закреплена при помощи распорок в середине, а также на нижнем конце, можно было наблюдать образование трех спиралей во время тока воды по трубке. Кроме того, нити в этом новом расположении всегда были вынуждены изгибаться в трехмерные спиральные конфигурации, вне зависимости от их веса и того, что они были привязаны к распоркам. Благодаря более сильной жесткости трех сплетающихся вместе нитей, закреплениям и тройному весу их изгибы были менее похожи на естественные, чем изгибы единственной нити. Потом из середины и дна трубы были изъяты распорки, чтобы полностью удостовериться в том, что сплетение трех нитей не было вызвано только лишь вращением распорок, в свою очередь вращающихся под действием потока воды. Но и после этого три нити закручивались, как и раньше. Это наглядно показывает то, что сплетение трех нитей происходит благодаря естественным многомерным завихрениям воды.

Внутри трубы эти завихрения накладываются на периферические точно такой же спиральной конфигурации. Это явление можно было наблюдать с помощью железных опилок. Было заметно, что во время протекания воды по трубе шаг сильно закручивающейся спирали менялся, он постепенно увеличивался, и по мере его увеличения вокруг спирали увеличивались скопления частиц.

Все эти потоки, которые в трубке накладываются один на другой и которые впервые были определены с помощью описанных выше экспериментов, должны быть тщательно исследованы, в особенности их образование и действие.

Если бы здесь были активны только центробежные силы, то свисающая вниз по центру шелковая нить втягивалась по направлению к стенкам. Также такие силы никогда не спровоцировали бы обвивание трех нитей на протяжении слабо закрученной спирали. Для центробежно активных сил было бы также невозможно закрутить три нити на периферических зонах трубки в одну нить, расположенную по центру, которая затем принимала спиралевидную пространственную конфигурацию. Такое могли сделать только центростремительные силы, чья сила воздействия во много раз превышала центробежные

Чертеж 2 10- 1810

Многомерный завихряющийся поток, таким образом, может называться результатом действия центробежно направленных сил. Они появляются благодаря самой системе движения, их с самого начала можно определить и пронаблюдать.

Кстати, можно сделать вывод, исходя из изменения шага сильно закручивающейся в пространстве спирали и из наблюдений за флокуляцией и миграцией взвешенных частиц по направлению к центру, что действие центробежных сил ослабевает по мере продвижения потока в трубах, а действие центростремительных сил, которые всегда преобладают над центробежными, остается неизменным.

Наблюдаемые процессы флокуляции, однако, не могут объясняться только лишь влиянием механических сил. Согласно большинству предположений, касающихся коагуляции твердых тел, вполне допустимо, что концентрация твердых частиц во время движения потока вызывается электрофизическими силами.

За течением воды в прямых трубах наблюдали различными способами, и стало совершенно очевидно, что в таких грубах, начиная от самого водозаборника, более или менее интенсивно развивается спиралевидное движение, которое, в свою очередь, провоцирует закручивающееся движение на протяжении всей длины спирали, на которое накладывается гечение на протяжении наиболее сильно закрученных изги-Зов спирали.