Бесплатная энергия из воздуха

Механика вихрей до сих пор остаётся серым пятном в гидродинамике. Процессы, происходящие при циркуляции воздушных масс очень комплексные и слабо поддаются внятному описанию. Однако есть подходы, которые позволяют понять некоторые детали этих явлений. В частности известно, что смерчи поглощают тепло атмосферы. Т.е. тепловая энергия переходит в кинетическую энергию. Это явление весьма многообещающе, поскольку в каком-то виде противоречит второму началу термодинамики. Но оно такое не единственное.

Когда-то я рассказывал про сопло Лаваля. В некую сужающуюся камеру подают газ, который затем попадает в расширяющуюся камеру. В центральной области удаётся достигнуть скорости звука с помощью турбины, а на выходе из сопла скорость становится ещё выше. Т.е. мы получаем сверхзвуковое течение. Вопрос в том, откуда взялась энергия на разгон газа. Предполагается, что именно внутренняя тепловая энергия газа переходит в кинетическую. Газ расширяется, сзади ему мешает пройти новый поток, по сторонам – стенки сопла. У газа нет другой возможности кроме расширения конкретно из сопла наружу. Что и приводит к увеличению его скорости. КПД такого процесса оценивается в величину до 70%, что существенно выше любых тепловых двигателей.

Со смерчами мы можем наблюдать аналогичную картину. Когда крутится газ, его статическое давление падает по закону Бернулли. Но возникают центробежные силы, направленные наружу. Можем предположить, что атмосфера начнёт сжимать поток газа до тех пор, пока радиус кривизны этого потока не станет таким, что центробежная сила будет в точности равна падению давления в потоке. Представим вихрь в виде потока плотности ρ со скоростью v, движущегося по цилиндру радиусом r и высотой h. Тогда падение давления будет равно:

А центробежная сила будет равна:

В свою очередь давление, вызванное центробежной силой, можно рассчитать по формуле:

Выходит, что среднее центробежное давление всегда строго равно среднему давлению среды на вихрь. Не получится никакого сжатия. Неужели гипотеза неверна? Но давайте вспомним, что вихрь у нас тороидальный. Тогда мы имеем сразу 2 вихря с разными осями, которые соприкасаются в некоторой точке.

Будем считать, что у второго вихря скорость потока равна u, а радиус – R. Тогда падение давления и центробежное давление в нём составит:

Но теперь есть занятное обстоятельство. Центробежное давление направлено от центра вихря. И в точке схождения двух потоков центробежные силы направлены навстречу друг другу и будут сжимать циркулирующий в вихре газ. При этом в точке схождения этих потоков и падение статического давления будет максимальным, ведь скорость потоков в этой точке будет максимальной. Суммарное падение давления составит:

Т.е. даже если вне стенок вихря будет падение давления, пропорциональное квадрату индивидуальной скорости каждой из составляющих вихря, падение давления в стенках всё равно будет больше. У нас будет ещё один механизм сжатия вихря. И этот механизм фактически пассивный. Сжатый газ будет стремиться расшириться, но со всех сторон кроме той, в которую весь этот газ движется, будет препятствие. И мы наблюдаем те же самые условия, что и в сопле Лаваля. Тем самым внутренняя (тепловая) энергия газа будет преобразовываться в кинетическую. И у этого процесса теперь вполне ясный механизм. И даже можно оценить пределы сжатия газа в самом плотном месте.

Чтобы дать оценку сверху, просто просуммируем все полученные давления, помня, что центростремительное равно падению статического:

Для наиболее интенсивных реально задокументированных смерчей характерна скорость ветра вокруг до половины скорости звука в среде. А для самих стенок высказываются даже предположения о сверхзвуковых величинах скоростей, хотя для таких гипотез мне сложно найти причины. Можем предположить, что максимальная скорость движения газовых масс в стенках смерча по обеим составляющим равна 0.4 скорости звука. Тогда остаточное давление в стенках вихря будет равно:

Другими словами, отношение давлений в таком случае может достигать двадцати пяти. Тогда плотность стенок смерча в таких условиях будет в 25 раз больше плотности невозмущённого воздуха. И, вообще говоря, плотность в итоге может быть совершенно любой. Всё зависит от скорости потоков.

Приведённая логика весьма груба, но реалистична. Кажется, это первое и единственное внятное объяснение существенного уплотнения стенок вихря, которое можно найти в интернете. А вы видели что-то подобное?