Как сделать искусственный смерч
Учебники
Журнал «Квант»
Общие
Бетяев С. Смерч у вас дома //Квант. — 2003. — № 4. — С. 42-43.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала «Квант»
Содержание
Смерч — это мощный короткоживущий атмосферный вихрь, возникающий обычно в грозовом облаке и стремительно движущийся к земле. Будучи одним из главных носителей хаоса в движении воздушных масс, он многолик в проявлении и потому имеет много различных названий: торнадо (так называют смерч в Северной Америке), циклон (по-гречески это кольцо змеи), ураган (от французского ouragan — сильный ветер), тайфун (от китайского тай фын — большой ветер), тромб (от греческого trombos — сгусток).
Искусственные смерчи
Микросмерч легко наблюдать, например, в только что открытой бутылке минеральной воды, если поставить ее в центр вращающегося диска и бросить на дно кусочек сахара или другого кристаллического вещества. Кристаллики способствуют выделению углекислого газа, так как служат ядрами образующихся газовых пузырьков, причем выделение пузырьков происходит наиболее интенсивно при пониженном давлении. На оси вращающейся жидкости, как и в смерче, Давление понижено, поэтому пузырьки возникают преимущественно в центре бутылки. Двигаясь спирально вверх под действием выталкивающей силы, они увлекают за собой частицы воды, на их место по дну бутылки к центру притекают другие порции минералки — образуется смерч.
Некое подобие смерча реализуется в промышленной установке «Циклон», предназначенной для очистки потоков газа от твердых и жидких частиц. Содержащий вредные примеси поток, попадая в «Циклон» (рис. 1) через входное отверстие 1 по касательной к его стенкам, закручивается, опускается вниз по спиральным траекториям и, повернув на 180°, еще более закрученным устремляется по оси вверх к выхлопному патрубку 2. Вредные примеси, прижатые по инерции к стенкам установки, ссыпаются вниз через отверстие 3.
Смерч нетрудно смоделировать в лаборатории, причем вращение жидкости можно создать либо пропеллером, либо вращением стенок сосуда, а поднятие можно осуществить с помощью насоса или за счет выталкивающей силы. Вот два примера.
1) Если вентилятор, размещенный в горизонтальной плоскости над резервуаром с водой, привести в движение, то он закрутит расположенный под ним столб воздуха, внутри которого давление окажется пониженным, в результате чего вода из резервуара поднимется на некоторую высоту и, закрученная окружающим воздухом, создаст подобие водяного смерча. В качестве вентилятора пригодно также колесо с наклоненными вертикальными перегородками. В зависимости от мощности вентилятора высота водяного смерча может изменяться от нескольких сантиметров до нескольких метров. Аналогичным образом воссоздаются пылевые и песчаные смерчи.
Существует много удивительных разновидностей вихрей, напоминающих смерч. Вблизи извергающихся вулканов, лесных пожаров и больших костров образуются огненные смерчи. Зимой над незамерзающим озером иногда удается наблюдать туманный вихрь. Дома его можно воспроизвести, пустив струю холодного воздуха над поверхностью теплой воды, наполняющей ванну. Такие же вихорьки возникают на поверхности вынесенного на мороз горячего чая — они образуются вследствие неустойчивости влажного теплого воздуха, расположенного над холодным.
Слив воды в ванне
Кроме параметра δ, на течение жидкости, конечно же, влияет и ее вязкость, но это влияние существенно лишь при малых значениях радиуса r, когда он составляет доли миллиметра (однако в этом случае полый вихрь не образуется).
В какую сторону вращается полый вихрь? Влияет ли, например, на направление вращения вихря сила Кориолиса, вызванная вращением Земли? Разумеется, влияет: в еще незакрученном течении на движущуюся с юга на север струйку тока действует кориолисова сила, стремящаяся закрутить водоворот в северном полушарии против часовой стрелки, а в южном полушарии — по часовой стрелке. Теоретически эти рассуждения правильны. Однако реальное влияние вращения Земли на направление вращения вихря в ванне, как и на движение всех смерчевидных вихрей, оказывается пренебрежимо малым. Первопричиной «выбора» того или иного направления вращения является асимметрия в конструкции и установке ванны и в отводящих воду устройствах, и это влияние еще недостаточно изучено. Искусственно в одной и той же ванне можно вызвать вихрь как одного, так и другого направления.
Заметим, что воздух внутри водяной воронки тоже приводится во вращение — благодаря тому, что на свободной границе частицы воды увлекают за собой соседние частицы воздуха. Скорость u на свободной границе не равна нулю, поэтому вихрь в ванне является воздушно-водяным. Правда, из-за того что плотность воздуха почти в тысячу раз меньше плотности воды, его движение незаметно — оно может, разве что, сдуть пламя внесенной в воронку горящей спички.
В природе вихревые воронки часто наблюдаются в реках. На практике они применяются в суспензионном литье для ввода добавок в жидкий металл, а также в нефтехимической промышленности для удаления плавающих гранул со свободной поверхности. Опыты по поглощению воронкой твердых плавающих тел легко провести в ванне, используя для этих целей частицы различной массы (проделайте это самостоятельно). В результате таких опытов было обнаружено, что твердые плавающие частицы могут довольно устойчиво вращаться вокруг воронки, каждая по своему индивидуальному радиусу, не всплывая и не погружаясь.
Принципиально новое явление наблюдается в контейнере с водой, содержащим два симметрично расположенных сливных отверстия (рис. 4). В этом случае характеристики течения зависят еще от одного безразмерного параметра \(
Что будет, если взять контейнер с тремя отверстиями, с четырьмя? Детали не известны, но ясно одно — разнообразие режимов увеличится, роль случайного начала усилится.
Взаимодействие вихревого и вращательного движений демонстрирует структурную сложность течений, неразделимость закономерного и непредсказуемого, познанного и непознанного, видимого и невидимого. Простые опыты по истечению жидкости подтверждают фундаментальный закон гидродинамики, в соответствии с которым течение перестраивается от простого стационарного к более сложному, а затем к нестационарному и даже к неупорядоченному.
Ютуберы решили, что могут устроить торнадо своими руками, и почти преуспели. Но природа оказалась сильней
Пара блогеров решила показать матушке-природе, кто тут главный, и создать торнадо в домашних условиях. Никаких трюков и читерства, только сухой лёд, вёдра с водой и вентиляторы. Люди всё же проиграли настоящей стихии, но успех был довольно близко.
Ютуберы Markiplier и Crank придумали план, как устроить торнадо на дому. В воскресенье, 9 февраля, парни опубликовали видео эксперимента на своём YouTube-канале Unis Annus, который создали два месяца назад и пообещали закрыть ровно через год. А пока этого не произошло, ребята делятся роликами, где ставят разные опыты, в том числе и над собой. Например, пытаются лежать на битом стекле или едят огонь.
На этот раз блогеры решили бросить вызов самой матушке-природе.
«Мать-природа думает, что она одна держит силу стихий в своих больших когтях… Ну и как ей это понравится, когда мы создадим торнадо дома?» — написали парни в описании к видео.
Ютуберы разработали план действий, согласно которому в их комнате должен появиться настоящий ураган. Для эксперимента ребятам понадобились вёдра с водой, сухой лёд в кубиках и два вентилятора. Для начала блогеры показали, как будет работать их план. Они закинули маленький кусочек сухого льда сначала в ведро с холодной водой, а потом — в то, где была горячая. Из второго ведра начал подниматься лёгкий пар. Поэтому в ходе эксперимента парни решили использовать именно горячую воду.
Чтобы пар закручивался так же, как вращается воздух в настоящем торнадо, блогеры задействовали вентиляторы, установленные почти друг напротив друга. Ютуберы приступили к эксперименту. Markiplier взял большой кусок сухого льда и бросил его в ведро с горячей водой. Поднявшийся пар начал закручиваться благодаря вентиляторам.
Окрылённые успехом ютуберы решили, что пора немного увеличить масштаб домашней природной катастрофы. Для этого ребята закинули чуть побольше льда, причём не только в первое ведро, но и во второе. Образовалось много пара, и он продолжил закручиваться, чему ютуберы очень обрадовались.
Убедившись, что и это работает, парни решили создать огромный торнадо на всю комнату. Они отодвинули вентиляторы подальше, быстро набросали в вёдра весь оставшийся лёд и поспешили встать подальше от эпицентра урагана. Но в этот раз ничего не вышло. Пар стелился по полу и никак не хотел превращаться в торнадо. Markiplier даже попробовал придвинуть поближе один из вентиляторов, но ничего не вышло. Даже приседания над ведром не помогли.
В итоге комнату просто заволокло паром.
Несмотря на то что большой торнадо создать не получилось, блогеры не сильно расстроились. Markiplier даже понял, в чём причина неудачи.
«Я думаю, [всё работало] благодаря тому, что горячая вода и маленькие кусочки льда позволяли пару подниматься естественно, но наше желание добавить побольше всё это разрушило», — признался ютубер.
Ребята собираются усовершенствовать свой план действий, учесть недочёты и всё-таки устроить дома настоящий торнадо. А пока этого не произошло, можно посмотреть на мини-ураган, который получился у блогеров, на видео ниже.
Остаётся надеяться, что парни успеют показать подписчикам настоящий вихрь до того, как срок действия их канала истечёт.
Среди ютуберов много любителей необычных экспериментов. Популярный блогер Кейси Нейстат, например, сделал свой собственный Cyberbike — и даже смог на нём прокатиться, хоть и заинтересовал этим местных полицейских.
Другой блогер и вовсе отправил в полёт свой электромобиль Tesla — да так, что сам Илон Маск впечатлился.
Искусственный торнадо как источник новой энергии
Торнадо являются одной из самой разрушительной и в то же время зрелищной силой в природе. А что, если эту невероятную силу можно было бы обуздать и использовать в благородных целях, для производства энергии? Именно таким вопросом задался канадский инженер Луи Мишо, когда решил создать установку, которую он назвал «атмосферно-вихревым двигателем» (Atmospheric Vortex Engine, или сокращенно AVE).
В компании AVEtec Energy Corporation, которой руководит Мишо, говорят, что такая система не создает вредных выбросов, особо не требует питания, а вырабатываемое ей электричество можно продавать всего по 3 цента за Кв/ч.
«Сила торнадо практически безгранична»,
— с энтузиазмом делится Мишо.
«Моя же работа заключается в том, чтобы обуздать эту силу и превратить ее в источник дешевой энергии».
Единственное, что требуется для создания мини-торнадо это временный источник тепла — подойдет даже обогреватель или направленный горячий пар. Тем не менее, в AVEtec отмечают, что для наиболее эффективного использования потребуется постоянный источник, в качестве которого могут выступать, например, тепло, вырабатываемое различными производствами (имеются ввиду заводы), или даже нагретая морская вода. По данным компании 100-метровая установка AVE способна генерировать до 200 мегаватт электричества.
В настоящий момент команда работает над созданием «портативного» прототипа установки размером 8 метров, которая позволит создавать торнадо высотой метров 40 с диаметров 30 сантиметров. Такой торнадо сможет питать 1-метровую одиночную турбину. Производством этого прототипа ребята решили заняться совместно с Колледжем Лэмбтона. А вообще, вся эта затея стала возможной благодаря гранту, выделенному компанией Breakout Labs.
Новости, статьи и анонсы публикаций
Свободное общение и обсуждение материалов
Образ американского ревущего мускулкара уже давно оброс ореолом романтики и приятной ностальгии по золотой эре моторов даже у тех, кто в 70-е годы прошлого в…
Наши глаза настроены только на узкую полосу возможных длин волн электромагнитного излучения, порядка 390-700 нанометров. Если бы вы могли видеть мир на разны…
Искусственное торнадо вращает ветрогенератор
Дата публикации: 6 сентября 2015
Источники: http://technodrive.ru/rostov.php?20308-vetrogenerator-iz-Rostova, http://voir-rostov.ru/vasiliy-savchenko-vetro-generatornaya-ustanovka.html
По оценкам учёных, до 10% потребляемой в России электроэнергии можно получить из энергии ветра. Однако на текущий момент ветрогенераторы остаются для нас скорее экзотикой. Эксперты связывают это, прежде всего, с высокой стоимостью оборудования — средний ветроэнергетический комплекс стоит около 3 млн. евро. Есть у традиционных «ветряков» и другие недостатки — нестабильность работы, пожароопасность и высокая стоимость обслуживания. Однако это не повод отказываться от возобновляемых источников энергии.
Ростовский изобретатель Василий Савченко предложил альтернативное решение. Его ветрогенератор создаёт искусственное мини-торнадо, которое подпитывает турбину даже на небольшой высоте, независимо от направления ветра. Более того, — разработка учёного из ДГТУ на порядок дешевле зарубежных аналогов, а его площадь взаимодействия с ветром намного больше.
Ветрогенератор Василия Савченко способен «дать фору» мировым разработкам по целому ряду параметров, — среди которых стоимость создания и обслуживания, компактность и уровень шума. При этом, уникальная разработка из Ростова не зависит от направления ветра — создаваемое над её раструбом мини-торнадо подпитывает её воздушными потоками с любой стороны.
Таким образом, представленная конструкция является хорошей альтернативой традиционным ветрогенераторам, — которые, помимо высокой стоимости, пожароопасны и требуют очень большой высоты башни (до 140 метров) для достижения высокой эффективности.
«Я занимаюсь научными исследованиями в разных областях, и альтернативная энергетика – одно из интересных мне направлений. Вместе с единомышленниками мы разработали принципиально новое ветропреобразующее устройство, идея создания которого пришла мне в голову всего год назад», – поделился Василий Савченко.
Мини-торнадо усиливает воздушный поток
Обычные ветрогенераторы преобразуют в энергию только ту силу, которая воздействует на лопасти подобно тому, как ветер приводит в движение плавательное средство, наполняя паруса. Принципиальное отличие изобретения наших учёных от всех ныне известных ветропреобразующих устройств в том, что в этом ветряном генераторе есть промежуточная структура.
Над раструбом в верхней части генератора создаётся вихревая структура, мини-торнадо. Он взаимодействует со свободным воздухом и ветром. Если обычный природный вихрь не стоит на месте, а движется по земле, то вихрь в структуре этого ветряного генератора не отрывается от конструкции, потому что постоянно подпитывается. Он начинает тянуть свободно проходящий воздух из турбины в нижней части конструкции и завлекает воздушный поток в центр торнадо. Вихревая сила вращает турбину в центре устройства. Поскольку лопасти помогают вихревому потоку начаться спонтанно, для запуска процесса не требуется энергии. По мере восхождения воздуха, все больше воздуха заходит внутрь устройства, питая искусственный вихревой поток. Часть полученной энергии идёт на поддержание вихревой структуры, а часть – на вращение турбины, которая, в свою очередь, вращает генератор электрической энергии.
«Мы уже подали две заявки на патент: российскую и евразийскую (Белоруссия, Россия, Казахстан), в ближайшее время ожидаем ответа», – подтвердил Василий Савченко.
Разработка имеет ряд преимуществ перед другими ветрогенераторами. Во-первых, это устройство, по заверениям учёных, в десять раз проще в изготовлении, чем его аналоги, соответственно, стоимость технического обслуживания и монтажа обходится гораздо дешевле. Во-вторых, нет необходимости размещения турбин на высоких башнях для захвата ветра. В третьих, устройство не зависит от направления ветра, его не нужно ориентировать. В-четвертых, ветряной генератор весьма компактен, при этом площадь взаимодействия с ветром у него намного больше, чем у аналогов. Наконец, устройство имеет частично закрытую структуру, а это значит, что данный ветрогенератор можно покрыть шумоизолирующим материалом, и тогда устройство станет практически бесшумным.
Ветряным генератором, разработанным в ДГТУ, уже заинтересовались некоторые компании Ростовской области и близлежащих регионов.
«Учитывая перспективы развития альтернативной энергетики во всём мире и в России, мы с большим интересом наблюдаем за появлением принципиально новых энергопреобразующих устройств. Ветряной генератор, разработанный учёными ДГТУ, безусловно, заслуживает внимания. Мы надеемся, что скоро устройство будет запущено в серийное производство и найдет применение в различных областях, в том числе и в телекоммуникациях», – прокомментировал технический директор «Tele2. Ростов-на-Дону» Алексей Крушинин.
Массовое производство ветропреобразующих устройств, разработанных нашими учёными, не за горами: как только изобретатели получат патент, свою помощь в этом вопросе готов оказать Вадим Степанов, директор ОАО «Ростовский механический завод».
А в обозримой перспективе, возможно, ветрогенерация сможет конкурировать даже с широко пропагандируемыми «коробочными» предложениями для электропитания домов, уже предлагаемыми Tesla. Речь идёт об аккумуляторах, которые можно доставлять в удалённые районы обычным транспортом, и которых хватит для целого дома на неделю эксплуатации. Компактные ветряки будут дополнять их — ведь генератор из Ростова-на-Дону при достаточном КПД сможет подзаряжать эти самые «сверхмощные батарейки для дома». Тем более, что в Ростовской области недостатка в ветре обычно не наблюдается.