Tornado w butelce Tornado w butelce

Weź te dwie butelki złączone razem, z których jedna jest wypełniona wodą, odwróć je i zakręć górną częścią.
Co zauważysz?
Spróbuj jeszcze raz powtórzyć tę czynność, ale tym razem zakręć w drugą stronę.
Jeśli dobrze wszystko zrobiłeś, to z pewnością zauważyłeś powstające wiry, które - w zależności od kierunku kręcenia - kręcą się albo w prawo, albo w lewo. W ten sposób można wywołać własne "tornado" w butelce.

Jak można było zauważyć, wytworzony wir ma postać podobną do tych jakie można zauważyć w życiu codziennym: w rzece lub przy wypuszczaniu wody z wanny. W ogólności wiry powstają wszędzie tam gdzie prędkość przepływu dość gwałtownie się zmienia i nie bez znaczenia jest tutaj zjawisko lepkości.

W wirze wytworzonym w butelce prędkość wody przy ściankach butelki jest, w przybliżeniu, równa zero, natomiast im bliżej osi wiru tym ich prędkość liniowa jest większa. Jeżeli więc, widzimy na rzece jakiś duży wir, to można wnioskować, że pod powierzchnią wody, w pobliżu tego wiru znajduje się jakaś nierówność. Z kolei, tor cząsteczek wody, jak łatwo wywnioskować, jest spiralą.

Wir, dla wody w butelce jest sposobem na przezwyciężenie sił lepkości: bez wiru powietrze przeciska się przez mały otwór między butelkami bańka po bańce. Siła odśrodkowa działająca na wirującą wodę dopycha ją do brzegów otworu, czyniąc miejsce na strumień powietrza do góry, w środku otworu.

Samo opisanie wirów jest nieco skomplikowane. Wiąże się to z tym, że wiry często powstają na wskutek ruchu turbulentnego. Dla przepływów mało turbulentnych, jak w naszej butelce, powierzchnię wiru można z dobrym przybliżeniem opisać równaniem hiperboloidy obrotowej. W przypadku przepływów o dużej turbulencji, wiry się powielają, tzn. w dużym wirze powstaje mały wir, w tym jeszcze mniejszy w którym może powstać jeszcze mniejszy, jak "Baba w Babie", jednym słowem - chaos. Podobno Werner Heisenberg na łożu śmierci powiedział, że będzie miał dwa pytania do Pana Boga: dlaczego względność i dlaczego turbulencja. Ale po chwili dodał: "Naprawdę myślę, że On może odpowiedzieć tylko na pierwsze pytanie" [1].

Wiry powstają też bardzo często w powietrzu: za skrzydłem samolotu, co czasami widać na niektórych filmach pokazujących lądowanie samolotu w rozgrzanym powietrzu (przy coraz mniejszej prędkości postępowej samolotu, powstaje coraz więcej wirów, które w końcowym efekcie są odpowiedzialne za zanik siły nośnej samolotu co zazwyczaj kończy się katastrofą), za jadącym samochodem, przy napotykaniu wiatru o wystające przedmioty, przy wiatrach napotykających duże masywy górskie. Ciekawym przykładem wiru są też prądy konwekcyjne, jakie powstają w atmosferze w ładne wiosenne i letnie dni. Powietrze w takich prądach też porusza się po spirali, ma kształt wiru, ale wraz ze wzrostem wysokości ten "słup" wznoszącego się powietrza rozszerza się (na wskutek adiabatycznego rozprężania), a elementem związanym z lepkością jest otaczające ten prąd wznoszący zimniejsze powietrze.


[1] J. Gleick, "Chaos. Narodziny nowej nauki." Wyd. Zysk i S-ka, Poznań 1996.


Patrz także: inne zabawki, pojęcia i zjawiska związane:
Chaos: Dopóki piłka w grze | Perpetuum mobile | Wirujące magnesy
Lepkość: Czarodziejska różdżka | Kapryśne ciecze | Kropelkowa klepsydra | Lampa Lava | Parostatek puf puf | Suszarka i piłka
Przepływy, wiry: Butelkowa fontanna | Czarodziejska różdżka | Kapryśne ciecze | Lampa Lava | Suszarka i piłka