ВОДОВОРОТЫ

Воды Мирового океана изредка бывают размеренными. Кроме бурь, штормов и волн огромной разрушительной силы — цунами в океане есть массивные горизонтальные течения, как поверхностные, так и подводные. Гольфстрим, к примеру, переносит циклопическое количество тёплой воды, обогревая западное и северное побережья Европы. Но нас на данный момент интересует вертикальные течения, приводящие к появлению в океане больших водоворотов. Аква океан в этом смысле подобен океану воздушному — в нём есть свои циклоны и антициклоны. Как и в океане воздушном, возникают они вследствие вертикальных движений аква масс, обусловленных разностью плотностей воды, возникающей из-за различия температур аква слоёв либо их разной солёности. Такие вертикальные перемещения воды служат предпосылкой возникновения циклопических водоворотов, именуемых рингами. Причём эти водовороты имеют все те особенности, которые отличают водовороты воздушные, а конкретно — в Северном полушарии, в центре циклонических водоворотов, крутящихся против часовой стрелки, происходят подъём глубинных вод и их опускание на периферии водоворота. В Южном полушарии такое же вертикальное движение вод приводит к появлению водоворота, вращающегося по часовой стрелке. В случае же опускания аква масс в центре водоворота в Северном полушарии появляется движение воды по часовой стрелке, а в Южном полушарии — против.

Обнаружены были ринги сравнимо не так давно, в 70-х годах прошедшего века, и честь сделать это открытие в океанологии принадлежит нашим соотечественникам.

Океанические вихри могут существовать довольно долгое время, исчисляемое месяцами и, по воззрению неких учёных, годами. Их поперечникы могут составлять 10-ки и даже сотки км. Вне зависимости от того, в какую сторону, по часовой стрелке либо против, крутится аква вихрь, поверхность его за счёт центробежной силы не будет горизонтальной, центр вихря при всем этом может лежать на 10-ки метров ниже уровня океана, что отмечает аппаратура, установленная на искусственных спутниках Земли.

Механизм образования рингов стопроцентно схож механизму образования воздушных вихрей. Главными действующими объектами этого механизма являются магнитное поле Земли и передвигающиеся в нём молекулы воды, которые при своём перемещении в магнитном поле Земли получают вращательное движение. Ранее было показано, что коэффициент вихреобразования k находится в зависимости от агрегатного состояния дипольных молекул и для молекул в воды он меньше, чем для одиночных молекул. Но его уменьшение в значимой мере компенсируется повышением количества молекул воды в единице объёма. Если при образовании тайфуна в кубическом метре воздуха содержится 0,04 килограмма воды, то вес кубометра морской воды превосходит 1000 кг, другими словами в 25 000 раз больше. Не считая молекул воды свою лепту в образование ринга заносят ионы, находящиеся в морской воде. К слову сказать, в водах Мирового океана растворены фактически все элементы таблицы Менделеева, но в осязаемых количествах находятся только ионы натрия и хлора, 2-ух частей, из которых состоит всем нам популярная поваренная соль. Причём негативно заряженный ион хлора имеет массу 35 атомных единиц, а положительно заряженный ион натрия — массу 23 атомные единицы. Так же как и в молекуле воды, которая состоит из более громоздкой негативно заряженной гидроксильной группы ОН и наименее громоздкого положительно заряженного иона водорода, у ионов натрия и хлора приемущество в массе имеет негативно заряженный элемент — ион хлора. Как следует, суммарный момент количества движения ионов натрия и хлора, перемещающихся в магнитном поле Земли, отличен от нуля, и его символ совпадёт со знаком момента количества движения, приобретаемого молекулой воды при её движении в магнитном поле Земли. Означает, их присутствие в морской воде содействует появлению вращательного движения вертикально перемещающейся массы воды.

Конкретно следить полностью циклопическое океаническое образование — ринг — можно только с орбиты искусственного спутника Земли. Мониторинг океанических водоворотов производят в процессе проведения экспедиций при помощи устройств, измеряющих скорости морских течений на интересующих учёных глубинах. К примеру, экспедиция «Полигон-70» расположила в южной части северного пассатного течения Атлантического океана около двухсотен измерителей, данные с которых фиксировались в течение полугода. В предстоящем всю эту информацию свели воедино и обработали на компьютере. Результаты обработки внушительно обосновали наличие огромного аква вихря с антициклоническим нравом вращения.

Но и в домашних критериях можно следить появление ринга, правда, еще более умеренных размеров. Речь идёт о несчастном водовороте, который появляется в сливном отверстии ванны во время вытекания из неё воды. Предупреждаю сходу — не нужно относиться к ванне легкомысленно. Она зарекомендовала себя с наилучшей стороны как лаборатория для физических тестов ещё с древних времён!

Чтоб убедиться в наличии маленького водоворота, образующегося в сливном отверстии ванны, вы сможете поставить очень обычной опыт, который фактически не просит никаких издержек, но просит маленькой подготовки. Нужно убедиться, чтоб сливное отверстие и канализационная труба, ведущая к коллектору, не были засорены и слив воды из ванны происходил стремительно. Если вода из ванны вытекает медлительно, хоть каким методом прочистите слив. Лучше, чтоб отверстие в ванне размещалось симметрично, так, чтоб через его центр можно было провести вертикальную плоскость, разделяющую ванну на две зеркально-симметричные половинки. Сейчас привяжите к пробке, которой запирается сливное отверстие, верёвочку и закрепите её на стене ванны. Заткнув пробкой сливное отверстие, наполните ванну водой, после этого дайте воде отстояться как минимум в течение суток. Такое долгое время нужно, чтобы всякое движение воды прекратилось. После того как вода в ванне отстоится, очень осторожно потянув за верёвочку, выньте пробку и наблюдайте за процессом вытекания воды. В воду можно высыпать небольшие, размером несколько миллиметров, цветные бумажки — их движение лучше покажет направление вращения воды во время её слива через отверстие. Если вы живёте в Северном полушарии и сливная труба не имеет дефектов, способных существенно повлиять на ход эксперимента, вода станет вращаться по часовой стрелке.

Конечно, хочется провести этот эксперимент не только лишь в Северном полушарии, в каком мы живём, да и в Южном, чтобы убедиться, что там вытекающая вода вращается против часовой стрелки. Но можно провести эксперимент, не покидая родного Северного полушария. Для этого цилиндрическую ёмкость с водой нужно поместить в искусственное магнитное поле, которое по абсолютной величине совпадает с магнитным полем Земли в месте проведения эксперимента в Северном полушарии, но противоположно ему по направлению.

Вращательное движение присуще не только лишь воздушным и водным вихрям, не только лишь планетам и планетным системам, да и целым галактикам, гигантским скоплениям звёзд. Размеры средней галактики таковы, что свету требуется почти сто тысяч лет, чтобы пересечь галактику по диаметру, и около двенадцати тысяч лет, чтобы пройти поперёк её центральной части, ядра. В такой галактике находится порядка ста миллиардов звёзд, другими словами их количество больше, чем число людей на земном шаре. Особенно красиво выглядят спиральные галактики с яркими ветвями, закрученными в процессе вращения этого гигантского космического вихря: период обращения галактики составляет от десяти миллионов до миллиарда лет.

Аналогичную фотографию можно сделать самим, и даже без телескопа. Налейте в ванну воды (опять эта ванна!), добавьте немного мыльной пены и выньте пробку из сливного отверстия. Снимок водоворота из пены настолько похож на спиральную галактику, что различить их сможет только специалист.

Окружающий нас мир наполнен разнообразными вихрями. Вращаются молекулы воздуха, порождая не только лишь пыльные завихрения на мостовой, да и смерчи, и торнадо, в океанах возникают ринги, а по Вселенной движутся непредставимые «звёздовороты», галактики, в одной из которых мы живём. Получается, что вихрь — едва ли не самое универсальное движение сплошной среды, будь то воздух, вода или даже сильно разреженный межзвёздный газ.

Физпрактикум

ИССЛЕДУЕМ ВОДОВОРОТЫ

Установка для эксперимента по обнаружению водоворота содержит ёмкость 1 с осесимметричным сливным отверстием, снабжённым патрубком 2 с задвижкой 3 на его конце. Кольца Гельмгольца 4 (пара катушек с током) расположены так, что их ось совпадает с направлением магнитного поля Земли в месте проведения эксперимента и компенсирует его. Ёмкость 1 заполняем водой и даём ей отстояться в течение суток. Сначала проводим эксперимент без тока в кольцах Гельмгольца. Осторожно открываем задвижку и наблюдаем за направлением вращения воды в сливном отверстии.

После чего наполняем водой ёмкость повторно, даём воде отстояться и включаем кольца Гельмгольца. Силу тока нужно подобрать так, чтобы магнитное поле колец в сумме с магнитным полем Земли по абсолютной величине равнялось магнитному полю в точке проведения эксперимента, но было направлено в противоположную сторону. Иными словами, за счёт изменения направления магнитного поля мы вроде бы переместимся из Северного полушария в Южное. При всем этом направление вращения воды в сливном отверстии должно поменяться на противоположное.

Эксперимент можно провести и несколько по-другому. Для этого будет достаточно магнитного поля Земли, но ёмкость необходимо подвесить на тонкой прочной нити 4.

Как и в первом случае, воде необходимо дать отстояться, а затем осторожно открыть задвижку. Если теперь при сливе воды из ёмкости в отверстии образуется воронка, другими словами начнётся вращение воды в ёмкости, то возможны два варианта.

Если силы вязкого трения на стенках ёмкости велики, крутящаяся воронка вовлечёт во вращение и ёмкость. Она начнёт вращаться в ту же сторону, что и вода.

Если силы вязкого трения малы, ёмкость начнёт вращаться в сторону, противоположную вращению воды, что полностью согласуется с законом сохранения момента количества движения: противоположно направленные моменты воды и ёмкости в сумме дадут ноль, что соответствует неподвижному положению всей системы до эксперимента. Аналогичным образом фигуристка приобретает момент количества движения, отталкиваясь ото льда, при всем этом она начинает вращаться в одну сторону, а каток вместе со всем земным шаром — в другую. Но поскольку моменты инерции фигуристки и земного шара несопоставимы, Земля на вращение фигуристки никак не реагирует. В нашем же случае массы воды и ёмкости 1, в какой эта вода находится, сопоставимы, что приводит к их вращению в разные стороны.