Водяная воронка

[wrest]

sergey zhukov
А почему вы думаете что
1. Если подвесить сосуд то струя все равно будет закручиваться
2. Закручивать сосуд будет вязкое трение где-то на высоте от отверстия действуя на боковые стенки, а не реактивные силы струи.
Ну вот скажем, если сделать какое-то не слишком широкое кольцо вокруг отверстия свободно вращающимся -- будет ли воронка и т.п.?

Тут же надо провести эксперимент... Нужен сосуд. Сначала закрепить и убедиться что воронка образуется. Потом подвесить и посмотреть что будет.
На роль сосуда, имхо, корошо подходит 5-литровая пластиковая банка, в которых продают питьевую воду: банка очень легкая (чем дешевле вода тем легче сама банка).

[sergey zhukov]

artur_k
Система, связанная с сосудом, не только вращающаяся, но и ускоренно вращающаяся. Не так-то в ней все просто происходит.
Неверно, что в СО сосуда на него не действует сила трения потока. Она действует, но компенсируется одной из псевдосил, которые нужно вводить в такой СО.

При этом на жидкость в такой СО так же действуют псевдосилы, в результате чего суммарный момент импульса в этой СО ведет себя необычно. С точки зрения наблюдателя, находящегося на стенке сосуда, жидкость в сосуде, изначально спокойная, начинает вытекать и закручиваться, причем в конечном итоге может вся вытечь закрученной относительно сосуда в одну сторону. Если этот наблюдатель не будет правильно учитывать псевдосилы в этой СО, он не сможет объяснить, что закрутило поток. Наблюдатель в лабораторной системе при этом просто считает, что наблюдатель в сосуде не учитывает момент импульса самого сосуда. А наблюдатель в сосуде должен объяснять закрутку потока действием псевдосил.

Если вы раскручиваете юлу, находясь вместе с ней на льду, то начнете потихонку крутиться вокруг юлы в обратную сторону.

-- 02.12.2021, 12:57 --

wrest
Я говорю про подвешенный сосуд для наглядности. Ясно, что и неподвижный сосуд должен прикладывать момент к жидкости, чтобы раскручивать ее. В подвешенном сосуде течение будет немного другое, вероятно.

Реактивные силы вытекающей струи - это то же самое, разумеется (это мы недавно выяснили, когда обсуждали работу крыла). Вопрос в том, как сосуд, имеющий форму поверхности вращения, может приложить вращательный момент к жидкости? Через давление? Нет, ведь сила давления всегда перпендикулярна стенке, т.е. проходит через ось сосуда. Через трение? Да. Но чтобы это был правильный момент, поток жидкости около стенок сосуда должен течь в обратную сторону по отношению к потоку в воронке.

Эксперимент нужно поставить, конечно. Только не скоро я до этого доберусь. Уезжаю в командировку.

[wrest]

sergey zhukov в сообщении #1541333 писал(а):

Через трение? Да. Но чтобы это был правильный момент, поток жидкости около стенок сосуда должен течь в обратную сторону по отношению к потоку в воронке.

Почему именно стенок? Почему не дна?

sergey zhukov в сообщении #1541333 писал(а):

Только не скоро я до этого доберусь. Уезжаю в командировку.

Самое время :) Вечерком...
P.S. Да, и чтоб снять всякие вопросы, надо в воду добавить взвесь какую-то, да на видео снять, чтоб было видно что куда движется

[sergey zhukov]

wrest
Да и дно тоже тут участвует, разумеется. Ладно, после эксперимента станет яснее, я надеюсь.

[wrest]

Тут попался список литературы на тему. Хозяйке на заметку,так сказать. http://www.rusnauka.com/10_DN_2012/Stro ... 88.doc.htm

(Раз)

Цитата:

Значительный вклад в обобщение научных исследований в области воронкообразования внесли В.И. Поликовский и Р.Г. Перельман [1].

Образование вихреобразной воронки в жидкости при ее истечении из сосуда через донное отверстие наблюдалось еще Леонардо да Винчи в конце XV века [1].

Позднее это явление изучали Кастелли, Торричелли и затем Вентури [2], но причины образования воронок ими не были установлены. В наше время этим вопросом занимались многие ученые. Проф. В.Л. Евреинов [3] отметил, что при истечении жидкости из резервуара через донное отверстие одной из причин, способствующих образованию воздушной воронки, может служить кавитация.

Акад. Д.П. Граве [4] считал, что причиной образования вращательного движения частиц жидкости при ее истечении через отверстие в дне резервуара являются Кориолисовы силы, возникающие вследствие воздействия вращения земли. Следовательно, в северном полушарии вращение водоворотов не всегда должно происходить против движения часовой стрелки. Однако опыты А. Будау [5] показывают, что вращение водоворотов и в северном полушарии возникают также и в направлении, совпадающем с движением часовой стрелки. Кроме того, при сохранении симметрического, точно радиального притекания жидкости к отверстию вращения жидкости в сосуде и над отверстием не наблюдается даже при очень малых напорах.

А.Х. Халпахчян [6] показал, что сила Кориолиса, связанная с вращением земли, не может вызвать водоворотов в жидкости вследствие своей малости по сравнению с инерционными силами в жидкости, даже при малых скоростях ее движения. Возмущения, вызываемые Кориолисовой силой, затухают в вязкой жидкости. А.Х. Халпахчян утверждал, что воронки имеют вихревое происхождение и их интенсивность зависит от интенсивности вихревых шнуров, подходящих к донному отверстию от источников вихреобразований.

(Два)

Цитата:

1. Поликовский, В.Н. Воронкообразование в жидкости с открытой поверхностью [Текст] / В.И. Поликовский, Р.Т. Перельман. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959. – 191 с.
2. Venturi, C.B. Essai sur les ouvrages physico-mathematiques de Leonard de Vinci. - Paris, 1797, p. 21.
3. Евреинов, В.Н. Гидравлика. – 4-е изд. / В.Н. Евреинов. – М.: Речиздат, 1947.
4. Граве, Д.П. В какую сторону должны вращаться гидравлические трубы [Текст] / Д.П. Граве // Изд. АН СССР, 1932. - № 1.
5. Buddau Arpad. A romailimes nimetraszayban Tapulmanuti beszamolo. - Kolorsvar, 1910.
6. Халпахчан, А.Х. К вопросу об истечении жидкости через донные отверстия [Текст] / А.Х. Халпахчан // Изд. АН Арм. ССР, 1948. – Т. 1.

[artur_k]

sergey zhukov в сообщении #1541333 писал(а):

Если вы раскручиваете юлу, находясь вместе с ней на льду, то начнете потихонку крутиться вокруг юлы в обратную сторону.

Я же не возражаю, что подвешенный сосуд будет закручиваться в противоположную сторону вместе с пристенным слоем воды. Я возражаю против этого вашего утверждения:

sergey zhukov в сообщении #1540977 писал(а):

Если сосуд зафиксировать (как это бывает обычно с ванной или раковиной), то мы по прежнему получаем, что при образовании воронки жидкость в воронке закручивается в одну сторону, а вся остальная жидкость - в другую.

sergey zhukov в сообщении #1541333 писал(а):

причем в конечном итоге может вся вытечь закрученной относительно сосуда в одну сторону.

То есть вы согласны, что в системе отсчета, связанной с сосудом, вся жидкость будет закручена в одну сторону? Иначе придется объяснить, почему псевдосилы вдоль радиуса имеют разное направление.

P.S. Надеюсь, мы говорим о цилиндрически симметричной системе.

[sergey zhukov]

artur_k
Нет, наблюдатель на стенке сосуда тоже увидит обратный поток жидкости у стенки. Но когда эта жидкость потечет на слив, она для этого наблюдателя может изменить направление своего вращения. В итоге в сосуде для такого наблюдателя будут и прямые и обратные течения, а в отверстии слива будет попадать течение, закрученное только в одну сторону.

В системе ускоренно вращающегося сосуда все действительно сложно.

[artur_k]

sergey zhukov в сообщении #1541350 писал(а):

Нет, наблюдатель на стенке сосуда тоже увидит обратный поток жидкости у стенки.

artur_k в сообщении #1541346 писал(а):

Иначе придется объяснить, почему псевдосилы вдоль радиуса имеют разное направление.

Наблюдатель на стенке сосуда наблюдает силу Кориолиса, направление которой зависит от угловой скорости вращающейся системы отсчета и радиальной скорости стекания воды от стенок к центру. Чтобы был противоток - должна существовать еще какая-то противоположно направленная сила, которая у стенок не только компенсирует силу Кориолиса, но и разгонит поток жидкости в противоположную сторону. Что это за сила?

[sergey zhukov]

artur_k
Она появляется не просто во вращающейся СО, а в ускоренно вращающейся (сила Эйлера).

[artur_k]

sergey zhukov в сообщении #1541367 писал(а):

artur_k
Она появляется не просто во вращающейся СО, а в ускоренно вращающейся (сила Эйлера).

Ну так выпишите уравнение баланса этой силы и силы Кориолиса, проинтегрируйте и убедитесь, что угловая скорость частичек жидкости всюду меньше угловой скорости стенок сосуда.

[sergey zhukov]

artur_k
Хорошо. Вы победили.

[chislo_avogadro]

druggist в сообщении #1428091 писал(а):

http://www.physbook.ru/index.php/Kvant._%D0%92%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D0%B0_%D0%B8_%D0%B7%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD_%D0%91%D1%8D%D1%80%D0%B0

(Kvant. Ванна и закон Бэра)

Кажется, толковый анализ. Автор (В.Сурдин) делает численную прикидку исходя из суточного вращения Земли, приходит к периоду вращения воды у сливного отверстия 10 секунд. Далее замечает, что для образования воронки этого недостаточно, и вводит в игру вязкость - она возвращает часть момента, уходящего в сток, обратно в ванну.

Цитата:

Если бы вытекавшая вода оставила весь свой момент в ванне, то последние ее литры совершали бы вблизи отверстия более 10 оборотов в секунду. Поэтому даже небольшой вязкости воды, обеспечивающей передачу только 10% момента, оказывается достаточно для наблюдения эффекта Кориолиса в масштабах ванной комнаты.

Прандтль тоже отметился в этой теме, правда лишь мельком -

Цитата:

Подобного рода воронки часто наблюдаются в реках, в ваннах (при
спуске воды) и т.д. Во всех таких случаях мы имеем дело с потоками,
в которых циркуляция уже существует и вызвана какими-то посторон-
ними причинами.

Не обнадёживающе для теории генерации момента.

[sergey zhukov]

chislo_avogadro
В этом случае (если во всем виновата сила Кориолиса) подвешенный сосуд при вытекании жидкости либо вообще не раскрутится, либо даже раскрутится в сторону закручивания потока в воронке. Это можно проверить.

[sergey zhukov]

Посмотрел пару работ по генерации свободных конвективных вихрей (без закручивающих устройств) в лаборатории (над горячей подстилающей поверхностью). Аналог пыльного дьявола. Очень близко к водяной воронке.

Например, здесь https://vestnik.utmn.ru/upload/iblock/a8f/047_068.pdf получали огненный вихрь над источником огня. Чтобы его смоделировать, автор прямо ввел в уравнения силу Кориолиса. Хотя у него там в расчете есть интересный момент: сначала образуется пара противоположно вращающихся вихрей.

А вот здесь https://www.mathnet.ru/php/archive.phtml?wshow=paper&jrnid=tvt&paperid=887&option_lang=rus плоскость нагревалась газовой горелкой, и тоже получались конвективные вихри. Здесь сказано, что "Направление вращения всех наблюдаемых вихрей было против часовой стрелки". А вот в книжке этих же авторов "Торнадо" слово в слово описан тот же самый их эксперимент, но вместо этой фразы вставлено "Преимущественного направления вращения наблюдаемых вихрей обнаружено не было". Неясно, что у них куда вращалось.

Похоже, обычно (если смотреть на образование пыльных дьяволов), воздух в той или иной мере уже закручен, либо присутствует закручивающая геометрия. Если создасть идеально симметричные условия (отсутствие начального момента импульса, отсутствие закручивающей геометрии), то решающим фактором становится сила Кориолиса.

Есть так же механизм возникновения в воздушной массе одновременно двух противоположно закрученных вихрей (вроде случая, когда горизонтальный вихрь, созданый ветром и трением у поверхности земли, поднимается ветром в вертикальное положение). В этом случае вихри возникают без силы Кориолиса, закручивающей геометрии или начального момента импульса. Если один из вихрей становится концентрированным, а второй - рассеянным, то нечто похожее на пыльного дьявола может получиться.

[пианист]

(Оффтоп)

Уважаемые druggist и chislo_avogadro!
Пожалуйста, убирайте длинные адреса в тег url. Читать же невозможно.