Торнадо в стакане

Ю.Е.Устюгин, Г.П.Устюгина

Предлагаемый материал предназначен учителям физики средней школы как пример развивающей педагогики при обучении, в частности, физике жидкости. Наглядный эксперимент с применением обычных в быту предметов позволяет школьникам делать глубокие самостоятельные выводы, пробуждает фантазию, обостряет восприятие природных явлений.

Одна из современных проблем — это многочисленные ураганы, систематически наносящие гигантский материальный ущерб и уносящие множество человеческих жизней. В связи с глобальным потеплением климата ожидается резкое нарастание количества и силы этих природных явлений. Поэтому задача предсказания их появления, а также борьбы с ними исключительно актуальна.

Уже один вид надвигающегося урагана (в США его называют торнадо) приводит человека в ужас. А попасть в него — величайшее и зачастую непоправимое несчастье. Однако человеческая мысль и опыт не стоят на месте. Свой вариант борьбы с торнадо может предложить каждый любознательный молодой человек, основываясь на выполненных им самим экспериментах.

Постановка задачи

Информация, содержащаяся в сети интернет, представляет собой не только описания очевидцев, но и данные многих детальных изучений атмосферных вихревых явлений, в том числе ряд теорий с привлечением современной математики и компьютерного моделирования, например, модель вакуумного домена. (Меркулов В.И. Электрогравидинамическая модель НЛО, торнадо и тропического урагана. e-mail: merkulov@itam.nsc.ru). Упоминается и Альберт Эйнштейн с его интерпретацией эффекта собирания чаинок в центре стакана (эффект Бэра, см. пер. с нем. в УФН, 1956, т. 59, с. 185).

В лабораторных условиях можно попытаться воспроизвести условия возникновения вихря и предложить свое объяснение происходящих процессов, а если получится, то и предложить способы защиты от ураганов (а может быть, и их предотвращения).

Выделим основные моменты, которые следует воспроизвести при эксперименте:
— в торнадо существуют два типа воздушных потоков: восходящий в центре и нисходящие на периферии;
— и центральный поток (так называемый хобот), и периферический совершают спиралевидное движение;
— предметы, попавшие в зону центрального потока, вследствие динамического захвата переносятся сначала в верхние слои атмосферы, а затем на периферию вихря и вышвыриваются на землю далеко от исходной точки (так возникают, например, рыбные или монетные «дожди»);
— все оказавшиеся на пути торнадо сооружения подвергаются динамическому ударному воздействию.

Будем полагать, что вихревые явления в воздушной среде с достаточной для нашего исследования точностью аналогичны вихревым явлениям в жидкой среде. совокупность факторов, обеспечивающих образование, движение и «жизнь» торнадо (атмосферные явления, связанные с испарением воды из морей, рек и океанов, конвекцией теплых и холодных масс воздуха, конденсацией пара и выпадением конденсата в виде дождя и града) можно промоделировать принудительным вращением поверхностного слоя жидкости с помощью внешнего устройства.

Оборудование

Стеклянная банка, на три четверти заполненная обыкновенной питьевой водой;
мелкие предметы, по движению которых можно судить о движении потоков воды;
активатор — шлифовально-полировальное устройство по уходу за ногтями рук (IGEA) с набором сменных насадок. Мощность устройства 1,5 Вт; напряжение питания 3 В;
миниатюрный электродвигатель мощностью около 1,5 Вт (фото 1).

Фото 1 Оборудование: активатор, нож и сетка от мясорубки, вогнутая жестяная крышка, мелкие металлические и пластмассовые предметы.

Ход эксперимента

В банку с водой загружались мелкие предметы, активатор навинчивался на электродвигатель и слегка погружался в воду, после чего приводился во вращение со скоростью примерно 980 об/мин.