Вихрова доріжка Кармана

Вихрова доріжка над Тихим Океаном

Вихрова доріжка Кармана (доріжка вихорів Кармана) – регулярна повторювана система завихрень рідини чи газу, викликана нестабільністю потоку речовини близько погано обтічного тіла.

Приклади таких тіл дає циліндр, крило літака при великих кутах атаки або деякі повертаються космічні апарати. Історик і журналістка Іріс Чанг описує це явище, вивчене угорським фізиком Теодором фон Карманом, включаючи його «математичне відкриття в 1911 р існування сили аеродинамічного опору, що виникає, коли повітряний потік відривається від крил і закручується, утворюючи дві паралельні лінії вихорів. Явище, відоме тепер під назвою “доріжки вихорів Кармана”, відповідальне за вібрації перископів підводних човнів, радіощогл і ліній електропередач … ». (Причина вібрацій полягає в тому, що вихори зриваються по черзі з різних боків обтічного об'єкта, створюючи області зниженого тиску то з одного боку, то з іншого.). Одне з найбільш візуально красивих і, одночасно,найнебезпечніших явищ фізики.

Приклади

У механіці рідин фізики дивляться на потік рідини через простір і патерни . Одна з найбільш красивих подібних моделей - послідовність вирів і завихрень на зразок тих , які залишає за собою рухомий човен . Коли човен переміщається по воді , він « ділить » воду на дві частини. А коли вода позаду човна знову зливається , при цьому створюються завихрення, які чергуються , відомі як вихрові доріжки Кармана .

Це явище можна проілюструвати й іншими прикладами . Високі будівлі , димоходи й перископи підводних човнів , наприклад , змушені мати справу з вітром. Оскільки вітер дме прямо на них , його сила може змусити ці об'єкти сильно вібрувати , тому антени і перископи забезпечені пір'ям , щоб зменшити виникаючі у повітрі вітряні вихори . Впливу вихрових доріжок піддаються не тільки відносно великі об'єкти. Комахи , коли б'ють крилами , теж створюють крихітні вихори в повітрі. Але замість того , щоб чинити опір їм , комахи використовують свої крила так , щоб створювані вихори дозволяли їм триматися в повітрі.

Подібні вихори часто можна спостерігати в річкових потоках позаду опор, що підтримують мости, або в невеликих кругових рухах листя на землі при проїзді повз автомобілів. Деякі з найкрасивіших проявів цих вихорів трапляються у вигляді утворення в небі ланцюжка хмар за величезними перешкодами на землі – наприклад, високими вулканічними островами. Подібні ж вихори можуть допомогти вченим, що вивчають погоду на інших планетах.

Захист від впливу явища

Для зменшення небажаних вібрацій об'єктів циліндричної форми – заводських труб, автомобільних антен, перископів – застосовуються різні методи. Один з них використовує гвинтоподібні виступи, що зменшують поперемінні скиди вихорів. Такі вихори можуть призвести до руйнування вишок, вони також небажані для автомобілів і літаків, так як стають джерелом значного опору вітру.

Для запобігання утворення вихрової доріжки використовуются декілька прийомів:

1. До обтічного тіла кріпиться довга плоска пластина, розташована вздовж потоку з протилежного боку. Ця пластина Запобігає взаємодії вихорів, які зриваються з обох боків циліндра, і таким чином послаблює доріжку. Цей прийом застосовується лише у тих випадках, коли напрямок потокк незмінний відносно обтічного тіла.

2. На цилчндричні вежі додають «інтерцептори» - подібні до гігантської гвинтової різьби. Ці деталі запобігають утворенню двовимірного потоку і почергового зриву виховій. Аналогічний прийом застосовують у конструкції автомобільних антен. Діаметр споруди змінюеться по висоті, що приводить до різної частоти зриву вихорів на різній висоті і таким чином дозволяє уникнути синхронного зриву вихорів по всій висоті споруди.

3. У тих випадках, коли неможливо знизити утворення вихрової доріжки зміною аеродинамичної форми, наприклад, при обтіканні вітром проводів ліній електропередач, коливання і вібрації проводів, які призводять до обривів проводів у місцях кріплення їх до ізоляторів, знижують спеціальними поглиначами вібрацій.

Застосування у техніці

Вихрові витратоміри використовують то1 факт, що частота вихорів f у першому наближенні пропорційна швидкості потоку v и залежить від безрозмірного критерию Sh (число Струхаля) та ширини тіла обтікання d[1][2]:

f = Sh ∙ v / d Вимірювання частоти хвиль, утворених зривом вихорів, дозволяє визначити швидкість потоку безконтактним способом.

Вихрові доріжки також є причиною коливання струн в еоловій арфі

Але зазвичай великомасштабні зриви вихорів навколо деталей машин та інженерних споруд становлять технічну проблему через небезпеку руйнування конструкції. Наприклад, три з восьми градирнь електростанції в Феррібриджі були зруйновані 1 листопада 1965 року через зрив вихорів, утворений вітром зі швидкістю 130 км/год[3]. Утворення вихрових доріжок зумовлює розхитування високих споруд - веж, димових труб, хмарочосів.Особливо небезпечне резонансне розхитування, при якому частота утворення вихорів співпадає або близька до власної механичної частоти горизонтальних коливань споруд, що часто призводить до руйнування, тому при проектуванні таких споруд використовують моделювання за допомогою продування макетів у аеродинамічних трубах.

Примітки

Фон Карман говорив про свою теорію, що «це та теорія, ім’я якої я маю честь носити», бо, як пише хімік і історик науки Іштван Харгтай, «він вважав, що відкриття важливіше відкривача. Коли через 20 років французький вчений Анрі Бенар оголосив про свій пріоритет у відкритті доріжки вихорів, фон Карман не протестував. Навпаки, з притаманним йому гумором він запропонував використовувати назви “Доріжка Кармана” в Лондоні і “Бульвар Анрі Бенара” в Парижі ».

Посилання

http://pinu.com.ua/novyny/fizika/16-09-13/cikavi-nazvi-deyakih-fizichnih-yavishch-i-matematichnih-ponyat

http://moyaosvita.com.ua/fizuka/vixrova-dorizhka-karmana/

https://ru.wikipedia.org/wiki/Вихревая_дорожка

1. ↑ Кремлевский П. П. Расходомеры и счётчики количества веществ. Справочник. — Изд. 5-е, пер. и доп.. — СПб.: Машиностроение, 2002. — 409 с. — 3000 экз.

2. ↑ Киясбейли А. Ш., Перельштейн М. Е. Вихревые измерительные приборы. — М.: Машиностроение, 1978. — 152 с.

3. ↑ Ford, David N. When Technology Fails: significant technological disasters, accidents, and failures of the twentieth century / Neil Schlager. — Gale Research, 1994. — P. 267–270. — ISBN 0-8103-8908-8.