В чем секрет вихревых потоков Кармана?

Реакция движущейся жидкости или газом на внутренние или внешние возмущения часто бывает неожиданной. Это происходит, например, когда препятствия нарушают естественный поток воздуха. При этом нередко возникают удивительные вихревые образования.

Спутниковые данные показывают, что такое явление часто возникает ниже по течению рельефа островов и других архипелагов, в частности Канарских, Мадейры и Вест-Индии, при наличии северной составляющей ветра. В этом случае наблюдается вихревой поток, который попеременно движется в циклоническом и антициклоническом направлении. Это известно как вихревая дорожка Кармана, названная в честь венгерско-американского инженера и физика Теодора фон Кармана.

Эти чередующиеся вихри появляются при дневном свете, когда их сопровождают низкие облака. Поскольку капли воды в стратусе и стратокумулусе легко переносятся течениями, они являются хорошей материализацией вихрей. В случае слишком сухого воздуха они не видны или видны лишь частично, что может стать неприятным сюрпризом для тех, кто осмелится выйти на воздух. Тем не менее вихревые дорожки никогда не простираются очень высоко в атмосферу. Большинство из них находится на высоте менее 3500 метров над уровнем моря.

Физическое объяснение этого явления довольно сложное. Оно включает в себя несколько параметров, таких как высота и форма рельефа, скорость ветра и стабильность данного слоя атмосферы. Однако можно сказать, что витки связаны с падением давления, которое появляется с подветренной стороны от рельефов. Возникающее в результате всасывание отклоняет воздух таким образом, что перестраивает возмущения давления, создавая периодический рисунок. Такая конфигурация в организованных вихрях является промежуточным состоянием между ламинарным течением и турбулентным течением.

Наконец, следует отметить, что явление, описанное Теодором фон Карманом, не является уникальным для атмосферы. В других масштабах оно возникает вокруг электрических кабелей и автомобильных антенн, а также дымовых труб и мостов. В последнем случае это может привести к значительным повреждениям, если мост не был спроектирован таким образом, чтобы противостоять или предотвратить возникновение резонанса. Затем конструкция начинает опасно колебаться и иногда даже ломается. Этот трагический исход иллюстрирует необходимость детального понимания того, как воздух и вода ведут себя вблизи препятствий.