Соловьёв Андрей Борисович, учитель физики и технического труда Государственное учреждение образования «Лучниковская средняя школа»

 

Исследовательская работа

Выполнила 

учащаяся IX класса

Криводубская Анна

Руководитель

Соловьев Андрей Борисович, учитель физики

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение                                                                                                       

Глава 1. Что такое торнадо?                                                                           

Глава 2. Получение огненного торнадо несколькими способами.                     

2.1.  Получение огненного торнадо с помощью вращающейся металлической сетки.                                                                      

2.2. Получение огненного торнадо с помощью стеклянных г-образных стенок.                                                                          

2.3. С помощью стеклянного шестиугольника с регулируемым  поддувалом.                                                                                           

Заключение                                                                                                  

Список используемых источников                                                                   

Приложение                                                                                                   

 

 

Введение

 

Однажды, при просмотре телеканала Discovery, я наткнулись на телепередачу «Охотники на торнадо Tornado Hunters». Мне  очень понравилась эта тема, и я заинтересовалась этим явлением. Я стала просматривать видеоматериал на YouTube и наткнулась на блогера (colinfurze   https://www.youtube.com/watch?v=5-e2tAUo89o), где он создает огненный торнадо больших размеров. Я решили повторить его эксперимент, но в малых масштабах. Для этого обратилась к нашему учителю физики, чтобы он рассказал мне больше об этом явлении и помог его повторить.

Огненные и тепловые смерчи являются примерами экологических катастроф [1-3]. Они образуются при объединении множества очаговпожаровв один. Воздух над образовавшимся пожаром нагревается, плотность уменьшается и он поднимается вверх. Снизу на место нагретого воздуха поступают холодные массы воздуха с периферии пожара. Прибывший воздух также нагревается, возникший механизм подсоса воздуха действует как непрерывно работающие  кузнечные меха. Образуются устойчивые центростремительные направленные потоки, ввинчивающиеся по спирали от земли на высоту до пяти километров. Возникает эффект дымовой трубы.

Огненные и тепловые смерчи наносят огромный ущерб окружающей среде и приводят к многочисленным разрушениям и человеческим жертвам. В настоящее время в мире ежегодно регистрируется около 1000 смерчей. Если тепловые смерчи (вихри типа торнадо) достаточно часто встречаються, то огненные смерчи довольно редкие природные явления, которые возникают при крупных лесных пожарах, массовых пожарах в городах и авариях на крупных пожароопасных объектах нефтехимии, лесоперерабатывающей промышленности и других. (Приложение 1)

Механизм возникновения и эволюции в смерче затруднительно исследовать в природных условиях, так как это явление потенциально опасно.

Лабораторными исследованиями смерчей-вихрей в газах и в жидкостях занимаются давно [4, 5]. Однако даже самые интенсивные и локализованные атмосферные вихри торнадо до сих пор мало изучены. В литературе недостаточно работ, посвященных экспериментальному исследованию огненных смерчей. Поэтому моделирование и исследование огненных и тепловых смерчей в лабораторных условиях является актуальной задачей.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования работы являются огненные смерчи.

Целью работы является проведение экспериментальных исследований огненных смерчей в лабораторных условиях и выявление факторов, которые оказывают наилучшие условия для их создания.

В работе решались следующие задачи:

1. Обзор литературных источников и создание экспериментальных установок для моделирования огненных смерчей в лабораторных условияхнесколькими способами.
2. Проведение экспериментальных исследований.
3. Выяснение механизма формирования, функционирования и устойчивости смерчей.
4. Сравнение полученных физических моделей огненных и тепловых смерчей с натурными явлениями и теоретическими знаниями.

Предмет исследования– анализ причин, приводящих к возникновению огненных смерчей, выяснение условий развития и устойчивости этого явления.

Гипотеза исследования: возможно ли самостоятельно создать и контролировать огненный торнадо.

В работе использованы следующие методы:

• методы физического моделирования и анализа данных;
• сравнение;
• обобщение и систематизация информации.

Глава 1. Что такое торнадо?

 

Исследователи торнадо, рассуждая о разрушительной силе торнадо, постоянно упоминают об охлаждении центральной части и резком увеличении скорости движения в центральном жгуте вихря. Констатируют это как факт, но почти никак не объясняя это замечательное явление.

Очевидно, ускорение движения в центральной части и есть его движущая созидательная и одновременно разрушительная сила. Что же там происходит?

Начнем с маленькой картинки, взятой с сайта о работах Шаубергера.

Исследования показывают, что структура торнадо состоит из точно таких же вращающихся вокруг своей оси вихрей, каким и является сам торнадо. Если быть до конца последовательным — то все эти вихри тоже состоят из еще более меньших вихрей. Аналогия точно такая же.Толстенный перекрученный корабельный трос состоит из нескольких троссов поменьше. Эти троссы - из еще более меньших. И так можно дойти до элементарных составляющих нитей.

Так и торнадо. Рассматривая закрученные воздушные составляющие вихри и переходя на более миниатюрный уровень, неизбежно доходим до отдельной молекулы воздуха.

Чем же отличается движение молекулы воздуха обычной окружающей среды от молекулы, находящейся в жгуте вихря?

Молекулы окружающего воздуха постоянно находятся в броуновском движении. Любая молекула равновероятно может двигаться в любом направлении вдоль 3-х степеней свободы. Это хаотичное движение собственно и образует давление воздуха (и температуру). Так как молекул много и все они двигаются вразнобой, в целом воздух находится в состоянии покоя. Но вообще-то броуновское движение отдельной молекулы до очередного столкновения с другой молекулой составляет несколько сотен метров в секунду! Вот бы направить их все одновременно в нужную сторону! В этом как раз и состоит задача так называемого демона Максвелла — рассортировать молекулы по скоростям и направлениям — тогда считай вечный двигатель второго рода уже в кармане. Естественно напрямую отловить и упорядочить все молекулы невозможно — действительно такое под силу только нечистой силе. Но, вероятно, в торнадо подобное возможно!

Посмотрите на рисунок: в жгуте вихря единичная молекула воздуха теряет 2 степени свободы. Вихрь «не дает» молекуле убежать никуда в сторону — возможны только вертикальные колебания!

  

 

А ведь тепловая составляющая момента импульса никуда не исчезает — значит возможны колебания только вверх-вниз, но с увеличенной втрое амплитудой. Забегая немного вперед, можно сказать, что колебания вообще возможны только в одну сторону — вверх (снизу «напирает» поток других молекул воздуха- об этом чуть дальше). Таким образом «плененная вихрем» молекула теоретически имеет в 6 раз большую вероятность «полететь» в одну сторону(вверх), чем когда была частью «обычного воздуха»! Броуновское движение молекул воздуха становится гораздо более упорядоченным и молекулы могут свободно двигаться только вдоль единственной оси координат. Скорость полета молекул воздуха в броуновском движении между столкновениями друг с другом составляет порядка 500м/с. Линейная скорость при вращении воздушных потоков торнадо тоже достигает 500 м/с.

Одним из видов торнадо является огненный, хотя он довольно редко появляется. Почему? Все довольно просто. Для образования огненных вихрей необходимо несколько достаточно крупных пожаров. Далее, эти самые несколько пожаров объединяются, при этом получается огромный костер. По всем законам физики огонь, естественно, начинает нагревать воздух. По тем же пресловутым физическим законам при нагревании воздух расширяется и его плотность естественным образом, начинает уменьшаться. Нагретый воздух, по этим причинам, гораздо легче холодного и, поэтому, холодный воздух выталкивает его. При этом нагретый воздух устремляется вверх, а холодный занимает его место, нагревается, и дальше все повторяется.

Так, с этим разобрались. А как же движется нагретый воздух? Оказывается, он движется не просто вверх, а по спирали. Это объясняется образованием устойчивых центростремительных потоков при вытеснении холодным воздухом горячего. Вот эти самые потоки, вращаясь против часовой стрелки, и образуют, непосредственно, те самые огненные вихри. Почему против часовой? Ну, тут все дело в полушарии. Примечательно, что высота таких столбов может достигнуть 5 километров.

Впечатляет, не правда ли?

Как и в обычных торнадо, в огненных скорость потоков раскаленного воздуха достигает ураганных скоростей, а температура подскакивает до 600 градусов Цельсия. Естественно, что при таких температурах все горит и плавится. При этом вихрь втягивает в себя все, что находится в непосредственной близости. И так до тех пор, пока он все не уничтожит. Ужасающе, не правда ли?

Одной из принципиальных особенностей такого вида смерчей является то, что он вполне может быть вызван человеческими факторами. Например, вихрь может возникнуть в результате крупных пожаров. Но при этом необходимо редкое сочетания нескольких факторов: высокое атмосферное давление, жаркая погода и очень низкая влажность. Именно по той причине, что такие факторы редко встречаются вместе, огненные смерчи достаточно редкие явления для нас. И это радует. Потому что вряд ли что-то или кто-то сможет противостоять разбушевавшейся стихии.

Одним из таких примеров является огненный вихрь, который возник в результате налета британских ВВС на Гамбург в июле 1943 года. В итоге, стихия сожгла практически все и всех, что попадалось ей на пути. Кстати сказать, Гамбург дважды пострадал от вихря. Первый раз был в 1942 году и виновником возникновения вихря стал пожар, а не бомбардировки, как в 1943 году.

Хочется отметить, что Гамбург – не единственный город, пострадавший от огненной стихии. В разные времена Лондон, Чикаго, Сталинград, Хиросима и многие другие города пострадали от смерчей. При этом причиной возникновения смерча послужили или банальные возгорания, или бомбардировки.

Но смерчи возникали и возникают не только в крупных городах. Иногда они являются порождениями лесных пожаров.

Глава 2. Получение огненного торнадо несколькими способами

 

В своей исследовательской работе я выбрала три способа исследования огненного смерча:

• с помощью вращающейся металлической сетки;
• с помощью стеклянных г образных стенок;
• с помощью стеклянного шестиугольника с регулируемым поддувалом.

   

2.1.  Получение огненного торнадо с помощью вращающейся металлической сетки

 

Для выполнения опыта понадобится:

 

• металлические сетки с разной стороной ячеек в форме цилиндра;
• хорошо вращающийся круг;
• небольшой контейнер (желательно из металлического материала);
• сухой спирт;
• спички

 

Порядок проведения работы:

 

1. На вращающийся круг по очереди устанавливаем металлические сети с различными диаметрами цилиндра.
2. В него опускаем небольшой металлический контейнер.
3. Затем в контейнер помещаем сухой спирт.
4. Поджигаем сухой спирт и начинаем вращать круг.(Приложение 2,3)
5. Наблюдаем за происходящим.
6. Результаты заносим в таблицу.

Примечание:

Необходимо соблюдать правила пожарной безопасности. Иметь средства индивидуальной защиты. Опыт проводить строго под наблюдением учителя.

 

Результат

 

При раскручивании круга, пламя начинает стремиться вверх и закручивается как торнадо. Это происходит потому, что когда вращается цилиндр, оно увлекает за собой воздух, и внутри образуется некий вихрь, то есть там образуется некое движение воздуха, а если у воздуха есть движение, то внутри будет давление меньше по закону Бернулли и начинает насасывать воздух со всей округи. И он же и раздувает этот огонь, а так как есть восходящий поток, то внутри образуется пламя и, благодаря тому, что поток идет по спирали, закручивается и воздух.

Исходя из анализа полученных данных, мы пришли к следующим выводам:

1. Высота пламени зависела от размеров ячеек сетки. Чем меньше ячейки, тем выше пламя.
2. Высота пламени зависела также от диаметра металлической сетки. Самым оптимальным в наших условиях диаметром сетки оказался 30 см.
3. Высота пламени также зависела от скорости вращения круга. Максимальная высота огненного торнадо наблюдалась при 2-х оборотах/секунду.
4. Огненный торнадо также зависит от интенсивности пламени. Чем больше сгорало топлива, тем лучше получался опыт (2 таблетки сухого спирта). Если поместить в центр обычную свечу, то её сдувает потоками воздуха.
5. Также огненный торнадо не получался, когда в классе было сквозное проветривание.

 

Размер ячеек сетки	Диаметр сетки	Скорость вращения (1 оборот/секунду)	Скорость вращения (2 оборота/секунду)
1 × 5 см	15 см	Высота огненного торнадо – 10 см	Высота огненного торнадо – 28 см
1 ×5 см	30 см	Высота огненного торнадо – 13 см	Высота огненного торнадо – 32 см
2 × 2 см	15 см	Высота огненного торнадо – 11 см	Высота огненного торнадо – 15 см
2 × 2 см	30 см	Высота огненного торнадо – 30 см	Высота огненного торнадо – 45 см
0,5 × 0,5 см	15 см	Высота огненного торнадо – 35 см	Высота  огненного торнадо – 60 см
0,5 × 0,5 см	30 см	Высота огненного торнадо – 40 см	Высота огненного торнадо – 65 см

 

2.2. Получение огненного торнадо с помощью стеклянных

г-образных стенок

 

Для выполнения опыта понадобится:

 

• четыре стеклянные пластины размерами 15×30 см;
• скотч;
• небольшой контейнер (Желательно из металлического материала);
• сухой спирт;
• спички.

 

Порядок проведения работы:

1. Склеиваем 2 пластины, чтобы в торце получилась буква «г». Для этого используем скотч.
2. Ставим пластины по схеме (вид сверху) на стол.

 

 

 

 

 

 

3. Размещаем контейнер по центру получившейся конструкции.

4. Затем в контейнер помещаем сухой спирт.

5.Поджигаем сухой спирт и начинаем регулировать расстояния между пластинами.

6. Наблюдаем за опытом.

7.Результаты фиксируем.

 

Примечание:

В данном опыте также необходимо соблюдать технику безопасности.

 

Результат

 

Высота пламени зависела от расстояния между пластинами. Оптимальное расстояние составило 1,5 см. Высота пламени также зависит от интенсивности горения. Чем больше горело топливо, тем лучше получался опыт (1 таблетка сухого спирта). Если поместить в центр обычную свечу, то её сдувает потоками воздуха. Также огненный торнадо продолжал гореть, если закрывать боковые щели, оставляя небольшие отверстия у основания.

Зазор между пластинами	Фотография	Высота пламени (см)	Фотография	Высота пламени (см)
1 см		20		1
1,5 см		27		гаснет
3см		25		2

 

2.3. С помощью стеклянного шестиугольника с регулируемым поддувалом

 

Для выполнения опыта понадобится:

• шесть стеклянные пластины размерами 10×30 см;
• скотч;
• небольшой контейнер (Желательно из металлического материала);
• деревянные бруски;
• сухой спирт;
• спички.

 

Порядок проведения работы

 

1. Склеиваем 6 пластин, чтобы в основании получился шестигранник. Для этого используем скотч.
2. Ставим пластины на стол по схеме.

 

 

 

 

 

 

 

3. Размещаем контейнер по центру получившейся конструкции.

4. Затем в контейнер помещаем сухой спирт.

5. Поджигаем сухой спирт и начинаем регулировать углы деревянных брусков.

6. Наблюдаем за опытом.

7. Результаты фиксируем.

 

Примечание:

В данном опыте также необходимо соблюдать технику безопасности.

 

Угол наклона	90°	80°	70°
Высота пламени (см)	7	15	16

 

Результат

 

В ходе данного эксперимента мы выяснили, что высота пламени зависела от угла, под которым бруски лежат перпендикулярно радиусу окружности. Оптимальный угол составил 70°,максимальная высота пламени при этом -16 см.

Заключение

В ходе данного исследования мы достигли поставленной нами цели. Выдвинутая нами гипотеза подтвердилась.

Результаты проведенных исследований:

1. Разработаны и созданы стенды для моделирования огненных смерчей в открытом пространстве в лабораторных условиях.
2. Выяснен механизм течения и теплообмена газа в огненных и тепловых смерчах на основании экспериментальных данных течения газа в вихрях.
3. Определены критерии возникновения огненных смерчей.
4. Создано оборудование, на котором несколькими независимыми способами были получены огненные смерчи в открытом пространстве.
5. Выявлены факторы, которые влияют на течение смерча в лабораторных условиях.

Огненные вихри и торнадо, входят в число редко встречающихся — на их долю приходится 5% от всех возгораний — экстремально сильных пожаров. Но, несмотря на такие эпизодические появления, экстремальные пожары наносят 97 % ущерба, включая материальный урон и стоимость пожаротушения.

Очень немногие лаборатории и институты изучают это явление, вероятно из-за того, что оно редко возникает и поэтому считается не слишком важным. По понятным причинам исследование огненных вихрей в их «естественной среде обитания» невозможно, поэтому в лаборатории используются специальные стенды.

Сложности при исследовании возникают из-за эффекта масштабирования: при переходе на каждый новый масштаб основной способ контроля пламени меняется. Модельные «торнадо» в нашей лаборатории создавались тремя способами. Характеристики пламени, которые мы получили в результате эксперимента, можно перенести на большие пожары.

Результаты, которые ожидались от исследований огненных торнадо и вихрей, подтвердили возможность физического моделирования смерчей в лабораторных условиях.

Сейчас имеются компьютерные модели, которые могут прогнозировать то или иное физическое явление, но погрешность этих прогнозов может быть от 50 % до 100%. Мы начинаем понимать, что у нас нет хороших инструментов для прогнозирования экстремальных пожаров, поэтому мы начали исследовать данное явление.

В перспективе мы планируем разработать способы для предотвращения огненных торнадо.

 

 

 

Список используемых источников

1. Наливкин Д.В. Ураганы, бури, смерчи. - М.: Наука, 1969. - 487 с.
2. Наливкин Д.В. Смерчи. - М: Наука, 1984. - 111 с.
3. Меркулов В.И. Гидродинамика знакомая и незнакомая. - М.: Наука. ГРФМЛ, 1989.-133 с.
4. Кэрьер Г.Ф., Фендел Ф.Е., Фелдман П.С. Огненные смерчи // Теплопередача. - 1985. - Т.107, № 1. - С. 16-26.
5. Интенсивные атмосферные вихри/Под ред. Л. Бенгтссона, Дж Лайтхилла. - М.: Мир, 1985.-368 с.
6. https://nplus1.ru/news/2016/08/08/blue-tornado
7. https://ru.wikipedia.org/wiki/Огненный_смерч