Почему гудят провода. Л. Г АСЛАМАЗОВ
Еще древние греки заметили, что
Страница переведена на новый сайт https://myeducation.su/ :
страница ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ Квант (1972)
струна, натянутая на ветру, иногда
начинает мелодично звучать — петь.
Возможно, уже тогда была известна
эолова арфа, названная так по
имени бога ветра Эола. Эолова ар-
фа состоит из рамки, на которой на-
тянуто несколько струн; ее помещают
в таком месте, где струны приводятся
в движение ветром. Если даже огра-
ничиться одной струной, можно по-
лучить целый ряд различных тонов.
Нечто подобное, но с гораздо мень-
шим разнообразием тонов происходит,
когда ветер приводит в движение
телеграфные провода.
Довольно долго это явление и
многие другие, связанные с обтека-
нием тел воздухом и водой, не бы-
ли объяснены. Только Ньютон, ос-
новоположник современной механи-
ки, дал первый научный подход к
решению таких задач.
По закону сопротивления движе-
нию тел в жидкости или газе, откры-
тому Ньютоном, сила сопротивления
пропорциональна квадрату скорости:
F2
p
Здесь v — скорость тела, S — пло-
щадь его сечения, перпендикулярного
направлению скоросги, р — плотность
жидкости.
В дальнейшем выяснилось, чго
формула Ньютона верна не всегда.
В том случае, когда скорость движе-
ния тела мала по сравнению со ско-
росгями теплового движения молекул,
закон сопротиа1ения Ньютона уже
не справедлив. При медленном движе-
нии сила сопротивления пропорцио-
нальна скорости тела, а не ее квадра-
22
ту, как при быстром движении. Та-
кая ситуация возникаег, например,
при движении мелких капель дождя
в облаке или при оседании осадка
в стакане. Однако в современной тех-
нике с ее стремительными скоросгями
обычно справедлив закон сопротив-
ления Ньюгона.
Казалось бы, раз известны зако-
ны сопротивления, можно объяснить
гудение проводов или пение эоловой
арфы. Но это не так. Ведь если бы
сила сопрогивления была посгояннои,
го ветер просто натягивал бы струну,
а не возбуждал ее звучания.
В чем же дело? Чтобы объяснить
звучание струны, оказывается недо-
статочно тех простых представлений
о силе сопротивления, которые мы
только чго разобрали. Давайте обсу-
дим более детально некоторые типы
течения жидкости вокруг неподвиж-
ного тела (это удобнее, чем рассмат-
ривать движение тела в неподвижной
жидкости, а ответ, разумеется, будет
го г же).
Посмотрите на рисунок 1. Это
случай малой скорости жидкости.
Линии тока огибают цилиндр (на
рисунке показано сечение) и плавно
продолжаются за ним. Такой поток
называется ламинарным. Сила соп-
ротивления в этом случае обязана
своим происхождением внутреннему
трению в жидкости — вязкости и
пропорциональна V. Скорость жид-
кости в любом месге, так же как
и сила сопрогивления, не зависит
от времени (поток стационарный).
Этот случай для нас не предсгавляег
интереса.
22 Почему гудят провода.
Но взгляните на рисунок 2.
Скорость погока увеличилась, и в
области за цилиндром появились во-
довороты жидкости — вихри. Трение
-в этом случае уже не определяет
полностью характера процесса.
Все большую роль начинают играть
изменения количества движения,
происходящие не в микроскопичес-
ком масштабе, а в масштабе, сравни-
мом с размерами тела. Сила сопро-
тивления пропорциональна 1/2.
И, наконец, на рисунке 3 скорость
погока несколько возросла, и вихри
выстроились в правильные цепочки.
Вот он, ключ к объяснению загадки!
Эти цепочки вихрей, периодически
срывающихся с поверхности струны,
и возбуждают ее звучание.
Явление правильного расположе-
ния вихрей позади обтекаемого тела
впервые было изучено эксперимен-
тально немецким физиком Бенаром
в начале нашего века. Но только
благодаря последовавшим вскоре
работам Кармана такое течение,
казавшееся сначала весьма свое-
образным, получило объяснение.
Г»
Рис. 3.
По имени этого ученого система
периодических вихрей сейчас назы-
вается дорожкой Кармана.
Однако по мере возрастания скоро-
сги у вихрей остаегся все меньше
и меньше времени, чтобы расплы-
ваться на большую область жидкости.
Вихревая зона становится узкой,
вихри перемешиваются, и поток
становится хаотичным и нерегуляр-
ным (турбулентным). Правда, при
очень больших скоростях в экспе-
риментах последнего времени обна-
ружено появление какой-то новой
периодичности, но детали ее до сих
пор еще не ясны.
Может показаться, что вихревая
дорожка Кармана — просто красивое
явление природы, не имеющее прак-
тического значения. Но это не гак.
Провода линий электропередачи так-
же колеблются под действием ветра
постоянной силы из-за отрыва вихрей.
В местах крепления проводов к опо-
рам возникают значительные усилия,
которые могут приводить к разру-
шениям. Под действием ветра раска-
чиваются высокие дымовые трубы.
Однако, наиболее широкую изве-
стность, безусловно, приобрели
колебания Такомского моста в Аме-
рике. Этот мост простоял всего
несколько месяцев и разрушился
осенью 1940 года. На рисунке 4
показан вид моста во время колеба-
ний. Вихри отрывались от несущей
конструкции проезжей части моста.
После длительных исследований мост
был воздвигнут снова, только поверх-
ности, обдуваемые ветром, имели
другую форму. Таким образом, была
устранена причина, вызывающая ко-
лебания моста.
23 Почему гудят провода.
