За объявлением пилота «Наш самолет проходит зону турбулентности» обычно следует команда пристегнуть ремни и тряска, вызывающая у пассажиров панические мысли о неминуемой катастрофе. Термин «турбулентность» знаком и тем, кто летал на самолете, и тем, кто просто смотрел кино про авиацию. Что же на самом деле скрывается за сложным словом, похожим на заклинание, и где еще можно встретить турбулентность?
Воздушный поток от крыла сельскохозяйственного самолета окрасили, чтобы показать его вихревой след и турбулентность. Фото: NASA-LaRC, commons.wikimedia.org
Понятие турбулентности охватывает довольно обширный круг физических явлений, происходящих не только с самолетами и не только в атмосфере Земли. Извержение вулкана, течение у острова в океане и галактические облака – во всех этих не связанных между собой случаях наблюдается одно и то же фундаментальное явление – турбулентность.
Турбулентность наблюдается не только в природе. Лазеры, обтекание автомобилей, их двигатели, течения в нефте- и газопроводах, трубопроводный транспорт, искусственные клапаны сердца, выращивание кристаллов для микроэлектроники, кондиционирование помещений, охлаждение электронных устройств – все из примеров так или иначе связаны с газами и жидкостями, а значит – имеют отношение к турбулентности. Можно сказать, что наш мир из нее состоит.
Про любое течение, независимо от того, в каких условиях оно происходит и какая течет жидкость (или газ), можно однозначно сказать, является оно турбулентным или нет. Для обозначения жидкости или газа в гидродинамике используется обобщенный термин – сплошная среда. Течение сплошной среды, чтобы его можно было считать турбулентным, в первую очередь должно быть нестационарным. Параметры такого течения зависят от времени, то есть если зафиксировать некую точку в пространстве и следить за тем, как в этой точке меняются скорость потока и давление среды (во многих случаях еще и температура), то это будут непостоянные величины. В природе существует и другой режим течения – ламинарный, но он встречается гораздо реже. В ламинарных течениях жидкость не перемешивается, они довольно предсказуемы: можно заранее предугадать параметры потока (сказать, куда будет направлен поток и чему будет равна его скорость и т. д.) в любой точке в любой момент времени. Ламинарное течение похоже на воинский строй – в нем идут четкой колонной. Она может расширяться и перестраиваться, но всегда следует приказам. Турбулентное течение не подчиняется правилам, оно напоминает столпотворение на рынке, при котором ходят в разные стороны, в разное время и используя для этого разные выходы и входы.
На рисунке показан типичный пример упорядоченного нестационарного потока при обтекании круглого цилиндра. Течение сплошной среды направлено слева направо. С точки зрения механики, цилиндр движется с постоянной скоростью справа налево в неподвижной среде. Область за цилиндром называется «след» – это примерно то же самое, что и след за летящим самолетом, который хорошо виден с земли в светлое время суток в ясную погоду. Вихри, образующиеся за цилиндром, будут с течением времени сноситься вниз по потоку (вправо), а вблизи цилиндра возникнут новые вихри. Эти процессы приводят к тому, что структура потока становится нестационарной и параметры (скорость и давление) в каждой точке зависят от времени. Однако, поскольку процессы схода вихрей не происходят хаотично, а повторяются с определенной частотой, которую можно предсказать заранее, построив графики, параметры потока в любой точке в следе за цилиндром в любой момент времени тоже можно определить заранее. Картина течения, представленная на рисунке, будет воспроизводиться через определенное время, которое всегда заранее известно. Именно в этом и заключается свойство упорядоченности нестационарного потока сплошной среды. Когда возникает турбулентность, то все ведет себя хаотично, и в каждом новом расчете получаются новые результаты.
Турбулентность в потоках жидкостей и газов тоже возникает, когда система теряет устойчивость. Но только здесь в роли системы выступает уже не телефон, а упорядоченное движение среды – как, например, в примере с обтеканием круглого цилиндра. Принцип тот же самый: пока нет сильного воздействия внешних факторов, упорядоченная, она же ламинарная, форма движения может существовать, аналогично и телефон еще может стоять на ребре. Однако, как только уровень внешних возмущений, степень воздействия на систему внеплановых факторов достигает критической величины, поток жидкости за цилиндром больше не может иметь такую упорядоченную структуру, как раньше. Форма движения теряет устойчивость и не может больше существовать, возникает новая форма движения. В этой новой форме движения течение жидкости является не ламинарным, а турбулентным.
В отличие от ламинарных потоков, в которых пространственная структура течения и динамические характеристики зависят от времени регулярно, турбулентный поток, наоборот, имеет свойство нерегулярности, случайности и хаотичности. В турбулентных потоках всегда происходит более интенсивное перемешивание (диффузия), чем в ламинарных. Например, в ламинарный и турбулентный потоки воды можно добавить одинаковое количество краски, и во втором случае вода окрасится гораздо быстрее. Тот же эффект будет наблюдаться, если мы внесем ароматизатор в ламинарный и турбулентный потоки воздуха, – во втором случае запах будет распространяться заметно быстрее. При сильных порывах ветра мы ощущаем больший холод, чем при ветре, который дует равномерно и спокойно, несмотря на то что температура воздуха и там, и там одинаковая. Это также следствие того, что в турбулентных течениях все процессы переноса массы и тепла происходят быстрее, чем в ламинарных течениях.
Этот же принцип работает и при переходе ламинарного течения в турбулентное. В роли такого «соотношения двух масштабов» выступает число Рейнольдса – это параметр, который на картинках с цилиндром обозначен Re и назван по имени Осборна Рейнольдса, английского механика, физика и инженера. Число Рейнольдса характеризует степень влияния сил инерции и вязкого трения в рассматриваемом потоке. При более высоком значении Re инерция сильнее доминирует над вязкостью, чем при более низком. Силы инерции делают течение менее устойчивым, а вязкое трение – наоборот, способствует повышению устойчивости. Именно поэтому постепенное увеличение числа Рейнольдса ламинарного потока в какой-то момент приведет к достижению критического значения, потере устойчивости и переходу к турбулентности. При числе Рейнольдса, превышающем критическое значение, упорядоченное движение возможно теоретически в идеальных условиях, но оно больше не может существовать реально при тех внешних факторах, которые воздействуют на систему и делают условия неидеальными.
Самолеты в небе почти всегда находятся в условиях, далеких от идеальных. Ясное небо в аэропорту вылета не гарантирует спокойной погоды на протяжении всего рейса. Часто в зоне контроля, когда один самолет летит в непогоду, а другой – нет, пассажиры возмущаются: «В Волгограде уже давно солнечно, и рейс другой авиакомпании вылетел час назад». На самом деле, решение лететь или не лететь в непогоду зависит не только от желания пилотов, но и от их квалификации и характеристик самолета. Один пилот может лететь в непогоду, другой – нет. Турбулентность часто является следствием непогоды. Иногда ее можно предсказать заранее, увидев на радарах, и тогда пилот предупреждает экипаж и пассажиров, включая табло «пристегните ремни», но в некоторых случаях турбулентность незаметна даже ему. Такая обманка называется «турбулентностью ясного неба».
В воздухе параллельно происходит множество процессов, в разные стороны движутся потоки и течения. Единого шоссе с регулировкой для них нет, и они периодически сталкиваются друг с другом. Потоки разнонаправленного воздуха в турбулентных течениях внутри грозовых фронтов раскачивают самолет. Воздушное судно, кроме того, может попасть в турбулентность, «оставленную» другим самолетом, – такое же облако, но искусственного происхождения. По утверждению авиаинженеров, турбулентность не опасна для современных лайнеров. Избежать ее совсем не получится – от этого явления не спастись даже в космосе.
В качестве характерного примера извержения вулкана, которое сопровождалось очень сильным проявлением турбулентности, можно привести извержение вулкана Мон-Пеле (или Монтань-Пеле, от фр. Montagne Pelee – «лысая гора»). Вулкан находится в северной части острова Мартиника (Малые Антильские острова в Карибском море) и печально известен из-за мощного извержения, произошедшего в 1902 году и фактически уничтожившего целый город, в котором погибло около 30 тыс. человек. В процессе извержения вулкана образовалась огромная туча из смеси раскаленных газов, пепла и обломков горных пород – так называемая «палящая туча» или эруптивное облако. В таких эруптивных облаках развивается очень интенсивная турбулентность. Она, в свою очередь, создает в атмосфере инфразвуковые волны и другие типы акустических возмущений, что может негативно сказываться на полете самолетов на достаточно близком расстоянии от облака. Похожее явление наблюдалось на Камчатке в 1956 году, когда мощным взрывом была уничтожена вершина вулкана Безымянный. В последнем случае помимо образования «палящей тучи» извержение привело и к тому, что по склонам вулкана сошли раскаленные лавины, которые растопили снег и создали мощные грязевые потоки. Грязевые потоки, кстати, тоже являются примером турбулентных течений.
Турбулентность в галактических облаках является ключевым фактором, объясняющим не так давно открытое явление выгорания (или смерти) галактик при их столкновениях друг с другом (в научном сообществе такие столкновения часто называют «космическими ДТП»). В галактических облаках газа образуются локальные зоны турбулентности. Эти зоны преобразуют энергию движения галактик в тепло, а тепло мешает формированию новых звезд и способствует выгоранию галактики. «Турбулентность перемешивает газ, подобно ложке в стакане, чего мы никогда раньше не видели», – так рассказывал об обнаруженном эффекте один из членов научной группы, Джек Бернс из университета Колорадо (США). Первопричиной возникновения турбулентности в данном случае является столкновение отдельных скоплений газа и межзвездной пыли. Перед столкновением эти скопления движутся с огромными сверхзвуковыми скоростями, поэтому инерция доминирует над вязкостью настолько сильно, что турбулентность развивается очень быстро (в масштабах времени всего наблюдаемого процесса – практически мгновенно).
Турбулентность соседствует с нами во всех сферах жизни – от далеких космических бурь до океанических течений. Что поделать, мы живем в мире хаоса, не порядка. Даже сам термин «турбулентность» происходит от латинского «беспорядочный». Знал об этом свойстве жидкостей и газов еще Леонардо да Винчи. Всем, кто в самолете при объявлении турбулентности паникует, следует пристегивать ремни. Все остальное уже сделали авиаинженеры и физики.
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.
