Специальные функции математической физики - Кафтанова Ю.В.
ISBN 978-966-2046-62-5
Скачать (прямая ссылка):
Ученые до сих пор не могли найти природного аналога полета, совершаемого только за счет подъемной силы профиля статического (не машущего) крыла определенной формы. Но Природа сделала свои изобретения до появления первобытного человека и уж тем более задолго до эры научно-технического прогресса. И она не устает постоянно демонстрировать их человечеству.
Аналог такого профиля статического крыла в природе, оказывается, существует — это фазовые траектории циркуляции жидкости внутри волн цунами. Топливо — это энергия волн, переданная цунами его источником.
Поэтому можно смело утверждать, что цунами в буквальном смысле летит на своих собственных адских крыльях у поверхности океана.
Первую волну можно образно сравнить с «самолетом-разведчиком», стартующим с трамплина. А вторую волну цунами — со смертоносным военным «истребителем» вертикального взлета, с идеальной гидродинамикой, несущем сверху поверхности крыльев гигантский «нож» — страшную, эргономичную гидравлическую ударную волну-«крыло».
Достигая вертикального препятствия на пути движения, оба «самолета» как будто бы разбиваются вдребезги один за другим, высвобождая всю энергию мгновенно разрушенной ударной волны и всю кинетическую энергию.
Достигая же очень полого берега, «самолет-разведчик» слегка выезжает на берег и формирует небольшой трамплин, который превращает следующий за ним «истребитель», «заряженный» ударной волной, в плоскую, несущую острый нож «транспортную амфибию».
Она «выезжает» на сушу, движется по инерции и срезает объекты на своем пути до тех пор, пока потенциальная энергия не сравняется с весом воды или пока цунами не разобьется о вертикальные препятствия.
Как только вес выдвинутого на сушу объема воды сравняется с потенциальной энергией излившегося на сушу цунами, наступит равновесие состояний, цунами остановится и начнет постепенное отступление обратно в море, продолжая дальнейшее истощение внутренней энергии, пока она окончательно не рассеется.
Проследим за поведением математической модели волн цунами в более строгих терминах и понятиях. Приведем схемы и фотографии из классической хрестоматийной книги Г. Н. Абрамовича «Прикладная газовая динамика».
97
96
На схеме приведены два предельных случая обтекания профиля крыла потенциальным потоком несжимаемой жидкости.
На схеме слева показано обтекание с циркуляцией. С задней части крыла будут стекать вихревые циркуляционные потоки. Чтобы не было отрыва потока, в этой точке должна быть бесконечная скорость.
Уменьшение угла атаки приводит к перемещению точки разветвления струй вверх и вперед. Если при отрицательном углу атаки точка схода струй совпадает с задней кромкой, получается безотрывное течение. На схеме справа — обтекание крыла без циркуляции.
Общий случай обтекания крыла на практике получается наложением этих двух предельных случаев.
Очевидно, что при некотором значении циркуляции вокруг крыла задняя критическая точка в силу особенностей геометрии профиля совпадет с задней острой кромкой циркуляции. В этом единственном случае циркуляционное течение может быть реализовано безотрывным образом.
Если энергия не отрывается от крыла или ее отрыв ничтожно мал, она формирует подъемную силу. При безотрывном обтекании профиля вокруг него возникает циркуляция величины, при которой задняя острая кромка является точкой схода струй (постулат Чаплыгина-Жуковского).
В этом случае сила давления на крыло оказывается направленной перпендикулярно к скорости ламинарного (невозмущенного) набегающего потока.
Приведем фотографию начального вихря, который срывается с задней кромки крыла и вызывает возникновение циркуляции вокруг крыла, порождающей подъемную силу.
98
На фото видны как начальный вихрь сзади, так и циркуляционное течение около крыла.
При набегании потока на крыло возникает циркуляция, в результате наложения которой на набегающий поток скорости над крылом становится больше, а под крылом — меньше скорости набегающего потока. Давление над крылом понижается, а под крылом повышается, что приводит к появлению подъемной силы.
Безусловно, по сравнению с жестким профилем реального крыла самолета подъемная сила, возникающая у фазовых траекторий внутри цунами, чрезвычайно мала.
Но, поскольку эти профили не жесткие, в момент начала движения они приобретут наиболее оптимальный с точки зрения гидродинамики профиль.
Это произойдет потому, что при начале скоростного движения вся избыточная энергия воды, которая вызывает образование тормозящих вихрей, целевым образом перераспределится и стечет с задней и передней поверхности «крыла», сформировав в результате максимально приближенный к идеальному профиль фазовых траекторий.
В соответствии с постулатом Чаплыгина-Жуковского, такое состояние может быть достигнуто единственным образом — и оно фактически достигается в волне цунами.
Поэтому волны цунами имеют почти идеальную гидродинамику, не вызывают возмущений вне своей локальной окрестности и могут двигаться на гигантских скоростях продолжительное время — вплоть до полного огибания Земного шара при сверхмощном стартовом импульсе.
