Парадоксальное взаимодействие струи пара с твердыми поверхностями: анализ гидродинамических эффектов

Если пропустить пар через узкое отверстие в трубке, соединенной с паровым котлом, образуется тонкая струя. Сжатый водяной пар поступает во внутреннюю часть канала с начальной скоростью, достигающей приблизительно 400 метров в секунду. При движении по узкому каналу происходит процесс расширения газа, поскольку его исходное высокое давление постепенно снижается до уровня атмосферного. Ключевым следствием этого расширения является значительное увеличение скорости потока: покидая отверстие, струя пара может разгоняться примерно до 1000 метров в секунду. Именно движущийся с такой колоссальной скоростью пар способен совершать полезную работу, что находит применение, в частности, в конструкции паровых турбин.

На представленном рисунке (рис. 48) демонстрируется альтернативный метод наблюдения кинетической энергии струи.

Рис. 48. Схема экспериментальной установки для демонстрации эффектов притяжения и отталкивания пластин под действием струи пара

Конец паропроводящей трубки А герметично закрыт металлической крышкой, в которой в точке В проделано миниатюрное отверстие. Когда струя пара встречает на своем пути препятствие, она оказывает на него силовое воздействие. Например, луч пара способен подталкивать легкую пластинку, подвешенную в точке С на некотором удалении от отверстия В, предотвращая ее падение. Представим теперь модифицированную конструкцию прибора. Конец трубки расширяется, переходя в плоскую пластину EF с центральным отверстием. Подвижная пластинка D подвешивается на минимальном расстоянии от неподвижной пластины EF. При пуске струи пара наблюдается парадоксальный эффект: верхняя пластинка не отталкивается, а, напротив, притягивается к нижней. Для того чтобы разъединить пластины, требуется приложить значительное усилие. Возникает вопрос: каким образом одна и та же струя водяного пара демонстрирует диаметрально противоположные эффекты?

Для объяснения данного феномена необходимо учесть, что в первом опыте давление пара при прохождении сквозь узкий канал неуклонно падает, уравниваясь с атмосферным давлением сразу на выходе из сопла. Совершение работы в этом случае обеспечивается исключительно высокой скоростью частиц газа. Во втором случае, благодаря чрезвычайно малому зазору между пластинами, можно допустить, что в выходном канале и непосредственно над ним сохраняется высокое давление, соответствующее давлению в котле. Однако в непосредственной близости от выводного отверстия пар мгновенно расширяется, и его давление выравнивается с атмосферным давлением. Если в первом сценарии расширение происходит равномерно во все стороны, позволяя основной массе сохранять направление ВС, то во втором — до тех пор, пока пластина D не смещена, поток находит выход только в направлениях, параллельных плоскости EF. Безусловно, и в этом случае струя передает импульс пластине, но удар приходится на крайне малую площадь. В силу инерции покоя массивной пластины этого воздействия недостаточно для ее подъема. Действие инерции можно проиллюстрировать на примере с дверью: при быстрых и сильных ударах молотком ее легче разрушить, чем заставить открыться.

Вследствие описанных причин, в первые мгновения после истечения пар не способен оттолкнуть верхнюю пластину на значительное расстояние. В следующий момент струя расширяется в стороны, практически полностью заполняя узкий зазор между двумя дисками. Важно отметить, что по мере движения частиц от центра пластины к ее периферии доступный для расширяющегося газа объем возрастает чрезвычайно быстро.

Для наглядного представления этого процесса можно мысленно построить на круглой пластине ряд концентрических окружностей и провести два радиуса, образующих малый угол. Образованный сектор закономерно расширяется от центра к краю. Небольшой объем пара, находящийся у центра в пределах этого сектора, по мере движения наружу попадает во все увеличивающийся объем, что вызывает его дальнейшее расширение. При этом высокая скорость молекул пара сохраняется, что позволяет расширившемуся потоку по-прежнему вытеснять воздух из межпластинного пространства. Однако процесс расширения сопровождается падением давления на поверхность пластины.

Если в центре верхняя пластина испытывает давление, существенно превышающее атмосферное, то по мере приближения к краям оно снижается. Геометрическое место точек, где давление сравнивается с атмосферным, образует одну из концентрических окружностей. За пределами этой окружности давление становится ниже атмосферного, и лишь на самой периферии, где происходит смешение с воздухом, оно вновь скачкообразно возрастает до нормального. В случае, если площадь зоны с пониженным давлением (разрежением) на подвижной пластине значительно превышает площадь зоны с повышенным давлением, результирующая сила, создаваемая внешним атмосферным давлением, прижимает пластину к неподвижной. Таким образом, возникает парадокс: при исходно заметном расстоянии между дисками требуется усилие для их сближения, тогда как при изначальном контакте необходимо приложить силу для их разъединения.

Для читателей, не имеющих возможности работать с паром, следует указать, что описанное явление можно воспроизвести с помощью струи воздуха. Для эксперимента необходимо изготовить два круглых диска диаметром около 15 сантиметров из тонкого дерева или плотного картона. В центре одного из них проделывается отверстие диаметром 4–5 миллиметров. Для подачи воздуха в это отверстие перпендикулярно плоскости диска крепится стеклянная трубка диаметром примерно 5 миллиметров. Удобнее всего это сделать, используя резиновую или корковую пробку с отверстием подходящего размера, которую затем приклеивают к пластине сургучом или клеем.

Пластину с трубкой устанавливают вертикально на подставке, закрепив трубку в штативе или тисках. Вторую пластину (без отверстия) подвешивают на двух нитях, прикрепленных к ее краю на расстоянии 3–4 сантиметров друг от друга. Важно добиться примерной параллельности висящей и неподвижной пластин. Если сначала расположить свободную пластину на расстоянии 1,5–2 сантиметров от неподвижной и сильно вдувать воздух в трубку, то она будет отталкиваться. При сближении пластин до расстояния около одного сантиметра или менее отчетливо наблюдается обратный эффект: свободная пластина притягивается к неподвижной.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: В. Гампсон, К. Шеффер

Источник: Парадоксы природы

Данные публикации будут полезны студентам физических и технических специальностей, изучающих механику и принципы работы простых механизмов, начинающим инженерам и конструкторам, интересующимся эргономикой и оптимизацией транспортных средств, а также всем, кто увлекается историей техники и неочевидными физическими явлениями в повседневной жизни.