Механизм формирования хаоса в природе

Аннотация.

В основании статистической физики лежит наблюдение движения пыльцы растений в покоящейся жидкой среде.

Для объяснения этого явления было принято, что молекулы среды хаотически мотаются в произвольных направлениях, что и формирует хаос броуновского движения.

Но в природе властвует вихревое движение, создаваемое перемещениями вихрей Бенара. Вихрям Бенара покой может только сниться. Ведь превышение центростремительной силы над силой центробежной создаёт силу в направлении движения хобота вихря. Поэтому вихри Бенара используют любую щель в окружении для того, чтобы двигаться. Этому способствует то, что вихри могут как вытянуться змеёй, так и сжаться в бочонок.

Расталкивая при этом соседей, которые перемещаются в освободившееся пространство, движение вихрей и формирует броуновское движение пыльцы. Прямолинейное же движение среды по поверхности твёрдого тела трением скольжения при посредничестве правила прецессии и формирует на ней когерентную систему вихрей Тейлора, разрушая их для того, чтобы они возникали в пограничном слое вновь и вновь.

Прямолинейное движение, на котором базируется классическая механика, для природы является исключением. Правилом же является вихревое движение. Даже прямолинейное движение тела в жидкости или в газе сопровождается формированием когерентной системы вихрей Тейлора.

Это было обнаружено в работе Sirovich L., Ball K. L., Keefe L. R. Plane waves and structures in turbulent channel flow. Phys Fluids A2 (12), December 1990, 2217-2226. Авторы обнаружили, что в пограничном слое на поверхности твёрдого тела возникают системы вихрей Тейлора (которые авторы назвали вихревыми волнами), имеющие структуру.

Рисунок 1

В соответствии с законом сохранения момента количества движения вихри формируются парами с противоположными направлениями вращения и с противоположными направлениями движения (один вихрь рис 1 двигается к нам, а второй от нас). Вихри согласно правила прецессии двигаются перпендикулярно направлению движения потока и их траектории имеют вид.

Рисунок 2

Т.к. вихри двигаются в направлении оси своего вращения (также как и в классике вихрей Тейлора: Шлихтинг «Теория пограничного слоя»),

Рисунок 3

то трение скольжения разрушает их только для того, чтобы они возникали вновь и вновь.

Тейлор затеял свой эксперимент для проверки существования течения Куэтта, которое даёт линейное распределение скорости течения при параллельном движении одной плоскости относительно другой.

Но в результате эксперимента было получено вихревое движение. Сирович с соавторами практически повторили классику Тейлора, но только для случая движения одной плоскости в среде. И получили практически идентичные результаты. При этом ни Тейлор, ни Сирович не стремились сформировать вихревого движения, оно возникло самостоятельно по своей воле.

Следовательно вихревое движение в среде существует изначально. Прямолинейное же течение среды в соответствии с правилом прецессии только позволяет ему проявиться.

Начав за здравие Сирович с соавторами кончили за упокой. Т.к. система вихрей является когерентной, то они оформили ряд патентов (в том числе и российских), в которых они предложили несколько методов для уничтожения турбулентности. Методы показали свою нулевую эффективность, поэтому патенты и не обслуживаются. В то же время в ламинарном потоке потери энергии на создание вихрей (т. е. упорядочивание движения элементарных вихрей бывшее до этого хаотическим), которые затем разрушаются, и обеспечивают в потоке потери энергии на вязкое трение.

Вихревое движение при течении может возникнуть только тогда, когда в среде уже присутствует вихревое движение в форме элементарных вихрей. Но элементарные вихри не могут быть вихрями Тейлора, в которых присутствует только одно направление вращения, что позволяет им двигаться только прямолинейно. Для этого природа создала вихри Бенара, обладающие двумя направлениями вращения, что позволяет им изгибаться для изменения направления движения.

Рисунок 4

На левой части рисунка сделана ошибка: совпадают направления вращения хобота и периферии, в то время как они должны были быть противоположными. К тому же не соответствует природным реалиям и численность траекторий в хоботе и на периферии. Скажем в торнадо отношение площади периферии к площади хобота больше единицы, но меньше 2.

И более реальным может быть, скажем 3 траектории в хоботе и 5 траекторий на периферии. К тому же из-за дробности отношения численностей траекторий не должна соблюдаться и непрерывность их перехода как в вершине, так и в основании вихря. Иными словами, траектория хобота не может переходить в траекторию периферии, а траектория периферии не может переходить в траекторию хобота.

В современной физике вольготно себя чувствует статистическая физика, которая к природе не имеет никакого отношения. Как в жидком, так и в газообразном состоянии молекулы не мечутся как оглашенные в произвольных направлениях. Молекулы входят в состав вихрей Бенара, которые являются детерминированными образованиями.

И существуют они хоть и в тесноте, да не в обиде. И вихри Бенара позволяют сформировать как детерминированное движение рис 1 и 2, так и хаос в стационарном состоянии.

Если даже в детерминированном состоянии рис 1 и 2 мы располагаем вихри строго параллельно, совместив вершины нижних вихрей с основаниями верхних вихрей, то всё равно они проявят своеволие. Боковые поверхности в этом идеале обладают одинаковыми параметрами осевого движения и тангенциального вращения. Поэтому никаких казусов они не преподносят. А вот вершины с основаниями вихрей преподносят сюрпризы. В вершине среда переходит из хобота на периферию, изменяя направление вращения (и его скорость) с направления вращения хобота на направление вращения периферии. В основании же среда переходит с периферии в хобот, также изменяя направление вращения (и его скорость).

А вот здесь и возникает проблема. Ведь в вихре Бенара центростремительная сила всегда больше центробежной силы. Поэтому угловая скорость вращения элементарных вихрей в вершине не соответствует её оптимальному значению. И при взаимодействии вершины одного вихря с основанием другого вихря появится трение скольжения в тангенциальном направлении. По правилу прецессии противодействующая сила появится в радиальном направлении.

Идеальный порядок нарушится, т.к. не могут совпадать временные параметры отдельных вихрей. И вихри расположатся под углом друг к другу. Вновь применяя правило прецессии мы обнаружим, что вихри будут двигаться кто в лес, а кто по дрова, создавая статистический хаос. Условия же течения статистический хаос движения элементарных вихрей, вновь преобразует в детерминированный, идеальный порядок рис 1 и 2.

Т. е. трение скольжения вихрей, двигающихся в направлении оси своего вращения, разрушает идеальный порядок, воссоздавая статистический хаос только для того, чтобы то же трение скольжения вновь установило идеальный порядок. Поэтому на поверхности тела системы вихрей появляются вновь и вновь.

Ярчайшим представлением заблуждений современных учёных является и теория солитонов. Прекрасная математика теории солитонов блестяще описывает форму округлого холма, двигающегося по поверхности воды. Научились получать движение холма и в эксперименте. И почему-то никого не интересует при этом, что творится под поверхностью воды.

А ведь ещё в 19 веке братья Вёбер экспериментально доказали, что частички воды под волной двигаются не вверх вниз, как это предположил Ньютон, а по окружностям. И что может помешать частичкам воды двигаться по окружностям под поверхностью округлого холма солитона? Т.е. солитон это всего лишь одна из разновидностей вихревого движения среды по типу рис 1.

В качестве примера рассмотрим поставленный Эйнштейном вопрос. Почему чаинки в стакане собираются не в его центре и не на его периферии, а на каком-то радиусе? Любую горизонтальную плоскость мы можем разбить на концентрические окружности, по которым и вращаются элементарные вихри.

Внутренняя окружность в своём вращении опережает соседнюю внешнюю окружность. Между ними возникает касательная сила трения скольжения. По правилу прецессии противодействующая сила возникает в радиальном направлении. А т. к. внутренняя окружность вращается относительно внешней, то противодействующая сила имеет центростремительный характер. И на внутреннюю окружность со всех сторон действует сила.

Вновь применяем правило прецессии и выясняем, что должна появиться сила, действующая по касательной. Но под действием этой силы внутренняя окружность вроде бы должна опередить или отстать от внешней окружности, что нелогично. Но у нас на окружностях находятся элементарные вихри.

И вторичная касательная сила действует уже не на всю систему элементарных вихрей, а на каждый из них по отдельности, что изменяет угловые скорости их вращения, выравнивая этим угловые скорости вращения внешней и внутренней окружности. А т. к. соседние окружности с элементарными вихрями выбраны произвольно, то вся горизонтальная плоскость вращается подобно твёрдому телу с постоянной угловой скоростью. Масса отдельной чаинки отлична от массы элементарного вихря. И на неё действует центробежная сила.

А т. к. чаинки вращаются с той же угловой скоростью, то их масса и определяет тот радиус, на котором создаваемая ей центробежная сила равна центростремительной силе. На этом радиусе и концентрируются чаинки.

Слой, прилегающий к дну стакана испытывает трение скольжения большее чем слой над ним. И по правилу прецессии в верхнем слое появляется центробежная сила. Продолжая эту логику дальше мы увидим, что поверхностный слой в стакане обязан принять форму конуса. И с чем большей скоростью вращается вода в сосуде, тем более глубокий возникает конус что и продемонстрировано в видео https://www.youtube.com/watch?v=_qsHyDid8BI&t=14s.

Над поверхностью водоёма дует слабый ветерок, формирующий рябь на поверности воды. Мы вновь попадаем в условия эксперимента Сировича. Только вместо движения поверхности тела над водой двигается воздушная масса. И рябь на воде это система ёлочек рис 2 или система вихрей рис 3. И пучности ряби это вихри рис 3, двигающиеся в противоположных направлениях с противоположными направлениями вращения.

Слабый ветерок увеличим до величины ураганного ветра бури в океане. Ёлочки рис 2 преобразуются при этой скорости в прямые. Поэтому вихри уже не скользят в направлении оси своего вращения, а начинают катиться по боковой поверхности. Возникает так называемая мёртвая зыбь.

Рисунок 5

Мёртвая зыбь это последовательность вихрей Тейлора, вращающихся в одном направлении. В месте контакта двух вихрей возникает трение скольжения, действующее по касательной.

По правилу прецессии противодействующая сила, действует по радиусу и смещена в направлении вращения. Этим самым компенсируются потери энергии на переднем и на заднем фронте последовательности вихрей (на переднем фронте последовательности среда включается во вращение, а на заднем исключается из вращения).

И мёртвая зыбь практически без потерь энергии способна обогнуть земной шарик. Подобным же, но уже одиночным вихрем Тейлора является цунами. Но потери энергии при движении одиночного вихря ничем не компенсируются. Поэтому мощное в месте своего возникновения цунами является всего лишь своей бледной тенью через тысячи км.

Но мёртвая зыбь появляется не только в океанах. В Алтайских горах есть Бащелакские озёра.

Рисунок 6

Из нижнего озера вода по склону стекает вниз, формируя последовательность вихрей Тейлора, что позволяет воде подниматься по небольшому подъёму на расстояние порядка 7 км. Действующий на склоне момент сил и формирует вихри.

Но зачем Сирович с соавторами пытались уничтожить то, что не уничтожается в принципе? Куда полезней использовать природное явление себе во благо. В этом отношении античные учёные сумели опередить современных учёных.

Они увидели в природе, что после склона вода способна течь в гору. И не понимая физики этого явления они использовали его в своих технических решениях. В античные времена наблюдательные римские учёные подметили эту способность воды при определённых условиях течь вверх по склону.

Лет 15 назад мне в интернете встречалось, что это явление широко использовалось при строительстве античного водовода из горных источников в Рим. При переходе через ущелья водовод опускался с одной горушки и поднимался на следующую. Создание вихрей мёртвой зыби при спуске в ущелье позволяло воде подняться в гору.

И эта система в античном мире широко использовалась. Во Франции в местечке Барбегаль археологи раскопали систему мельниц с оригинальным водоснабжением. Адрес откуда взял нижеприведённый рисунок не нашёл, поэтому даю ссылку на сайт с близким рисунком https://22century.ru/popular-science-publications/roman-water-mills.

Рисунок 7

Вместо традиционной равномерно снижающейся подачей воды на мельничные колёса использовалась система спусков подъёмов как это показано на нижней части рис 7. Кинетическая энергия вихрей, полученная на спуске, обеспечивала и большую скорость вращения мельничных колёс.