Смерчь. Развитие от зарождения до гибели.

[василий андреевич]

В моем воображении смерчь (вихрь, торнадо) всегда ассоциируется с некой саморазвивающейся системой, а анологии распространяются на такой широкий спектр природных явлений, что это далеко вылезает за "научные рамки".
  Из механики о круговом движении материальной точки вроде бы вытекает, что чем больше тел вовлекается в вихрь, тем сильнее он раскручивается. Далее, видимая часть вихря, скорее всего, только малая часть обширной области взаимодействия. Чем вихрь питается? Каков механизм усвоения внешней энергии, трансформирующейся в потенциальную энергию области низкого давления? А циркуляция в океанах и земных недрах, не имеют ли ту же физику в своей природе? А разрушение природных экосистем, не есть ли поставка энергии в "вихрь" зарождения новой экосистемы?

[V.V.P]

Из механики о круговом движении материальной точки вроде бы вытекает, что чем больше тел вовлекается в вихрь, тем сильнее он раскручивается.

А что значит "сильнее раскручивается"? Больше угловая скорость вращения? Больше диаметр столба смерча? Больше общая кинетическая энергия движущихся частиц? Как правильно понять фразу "сильнее раскручивается"? 
По смерчам и их физике вот, например, есть такая статья с мат. выкладками:
http://www.kscnet.ru/ivs/publication/whirlwinds/ivanich.htm
А по поводу других циркуляций и развития экосистем - идея найти что-то общее с развитием смерча и его физикой интересная. В принципе, можно ее попытаться развить, основываясь на всеобщих законах сохранения природы: энергии, импульса, массы, и так далее.

[valery1910]

Процесс образования вихря, торнадо или грозообразовния не оч. сложный, он описан многократно, по-моему там всё понятно. Летом  после полудня возникает хорошо прогретый приземный слой воздуха с низкой плотностью. Соответственно на высоте ок. 4км температура круглогодично держится 0 С , там воздух более плотный и тяжелый. Холодный плотный воздух не может всей массой опуститься вниз, как и теплый тоже не может подняться вверх. Возникают локальные условия для вертикальных обменых потоков. Условно на поле это может быть пятно черной земли, где не растет трава или холм каменистый, где грунт прогревается сильнее. Возникает вертикальный поток теплого воздуха, по его периферии образуется нисходящий поток холодного воздуха, который опускается вниз изамещает теплый. Всё оч хорошо заметно на примере грозового облака Строго под ним мощный восходящий поток, по периферии облака нисходящий. Там где скорость потока выше давление соответственно ниже теплый воздух с поверхности устремляется с этим потоком вверх. Скорость восходящих и нисходящих потоков может быть оч высокой, 30 м/с далеко не предел. Чем мощней поток тем ниже давление внутри него тем легче он поглощает боле мелкие восходящие потоки. Таким образом они складываюся. Процесс естественным образом самоорганизуется. Чем больше прогретая площадь или выше разница температур тем мощней и быстрей потоки. Все происходит пока есть существенная разница температур. 

[valery1910]

К вечеру восходящие потоки как правило ослабевают. Что касаетя формы спирали, то тут тоже всё понятно. Если говорить о самых мощных вихрях - торнадо, то они образуются над обширными равномерно прогретыми площадями над морем, равниной на суше. Над морем образутся чаще т.к. там меньше условий для возникновения мелких многочисленных вихрей условия более равномерные, чем на суше, кстати выходя на берег они слабеют. Наверно основная причина возникновения крупных атмосферных вихрей большая равномерно прогретая площадь. Чем больше площадь, тем болше массы воздуха вовлекается в процесс который черпает свою энергию с прогретой поверхности, в конечном счете от солнца.

[василий андреевич]

Как правильно понять фразу "сильнее раскручивается"? 

Я почти уверен, что не знаю правильного ответа. Скорее всего интуитивно подозревается общая мощность вихря, как цельного явления. Ведь частица с плотностью больше молекулы воздуха, вовлекаемая в поток, порождает (или должна бы порождать) такие моменты действия сил и инерции, которые обратной положительной связью будут способствовать силам, направленным по касательной к окружности движения частицы. Но тут еще вмешиваются центробежные силы и ускорения, которые порождают разряжение в центре вихря, как области с центростемительным минимумом потенциальной энергии. Таким образом, растут кинетика и потенция при сохранении "околонулевого" энергобалланса. Выходит довольно неприятный "перпетумный мобиль", в который должна поступать очень незначительная внешняя энергия для компенсации внутренних сил трения. Однако и этой внешней подпитки вроде бы и не требуется, тк нагрев из-за трения может способствовать усилению вертикальной составляющей сил, что еще больше будет повышать "мощность самоорганизующейся машины".
  Ссылку начал читать и прочту. Но в данном случае хотелось бы больше уделить внимания не "аэродинамике", а неким принципам развития, при которых беспорядок может организовываться в направленные потоки. Например, турбулентность не есть хаос, это упрощенное подобие мутаций. А как из случайных турбуленций, являющихся фрагментом ячейки Бенара, может возникнуть ансамбль ячеек? Нужен ли для этого обязательный нагрев снизу, или достаточно введения каких-либо порций неясной пока энергетической природы? Однако не уверен, дойдет ли разговор до этого, пока достаточно о самом вихре узнать бы больше.

[василий андреевич]

Процесс естественным образом самоорганизуется. Чем больше прогретая площадь или выше разница температур тем мощней и быстрей потоки. Все происходит пока есть существенная разница температур. 

Подчекнуто мной.
Попробуйте нарисовать на листе два циркуляра в виде расходяшегося гриба на высоте. Попробуйте вообразить, как в учебниках, нагрев, расширение, снижение плотности внизу, а затем устремите потоки вверх, где теоретически должен пойти обратный процесс. Уверяю Вас, ничерта это не объясняет. Процесс ясен, только пока не лезешь в мелочи. А там бесы сидят. И еще сложнее станет, если начать расшифровывать Вашу, вполне справдливую фразу о "естественной самоорганизации". Ведь, в принципе, любой процесс организации противоестественен. А когда добавить само, то будет похоже на "сингулярность" в которую папа римский с удовольствием сажает бога.
  Я это не из злорадства, просто не люблю слово "просто", в котором тонет любое понимание, как вопросе не заслуживающем внимания.

Случайные микровихри возникают на любой нагретой пыльной дороге, но разрушаются, когда сходят с нее в траву. Подобные вихри возникают и над поверхностью пруда, где разница температур обратная. Могут ли случайные вихри самим фактом своего разрушения породить пространство с теми отрицательными силами, которые заоложат развитие смерча?

[Alexy]

Подобные вихри возникают и над поверхностью пруда, где разница температур обратная

Вы имеете в виду, что поверхность пруда (днем) холоднее берега?

Наверное может быть и теплее, если на берегу лес или мокрая (например после предыдущей грозы) трава?
----------------------------------------------------

Это правда, что внутри смерча нисходящий поток?

[V.V.P]

Это правда, что внутри смерча нисходящий поток?

Мое мнение, если интересно  , заключается в том, что внутри смерча вообще нет никакого потока. Вакуум. Именно этим объясняется разрушение домов, попадающих внутрь смерча.

[Alexy]

Мудрое мнение!

Полный вакуум или очень разряженный воздух?

Если второе, то уверены ли Вы, что он не движется (т е нет потока)?

[V.V.P]

Ну, да. Конечно, не абсолютный вакуум. Вы правы! Я что-то подумал, что речь шла о потоке воздуха, как минимум, атмосферного давления (101325 Па).  
Вообще говоря, внутри смерча восходящий поток, если верить следующему источнику. "Внутри воронки воздух поднимается, быстро вращаясь, создаётся область сильно разреженного воздуха" (©Википедия).

[valery1910]

Попробуйте нарисовать на листе два циркуляра в виде

Не очень понятны причины ваших сомнений. По-моему все оч. наглядно. Физика и механика атмосферного вихря как объекта достаточно подробно изучена и теоретически и практически. Если интересует схема процесса нарисованная на бумаге можете поискать методички по авиационой метеорологии или пообщаться с летчиками или парашютистами, эти люди постоянно на практике сталкиваются с такими явлениями.

Внутри вихря восходящий поток.

Мое мнение, если интересно  , заключается в том, что внутри смерча вообще нет никакого потока. Вакуум.

Ну, уж тут по-моему вообще не о чем спорить. Вакуум сам собой ниоткуда взяться не может. Согласно закону Бернулли чем выше скорость потока, тем ниже давление внутри него - школьная программа.

[Alexy]

Внутри вихря восходящий поток

А почему показывают по телеку, как из тучи вниз выступает выступ, превращается в хвостик - и так вроде образуется (или возможно просто становится видимым) торнадо

Как то не верится, что этот выступающий вниз хвостик может быть результатом конденсации пара, ведь как Вы сами заметили в смерче давление низкое

Но может там по какой-то причине сильно падает температура?

[василий андреевич]

Но может там по какой-то причине сильно падает температура?

На мой взгляд о температуре в вихре и около него говорить бессмыленно, потому, что нельзя говорить о температуре потока-порядка. Мы, зачастую, в явлениях динамических путаем температуру и давление, ведь принцип измерения и того и другого лежит в измерении объема и ничего более.
  Формула хороша, но она констатирует, но не объясняет. Это подобно тому, как зная формулу падения яблока мы не можем судить о природе гравитации. Внутри вихря разряжение, которое можно объяснить следствием кругового движения, но, уверяю Вас, само круговое движение в той же мере может считаться следствием центростемительных сил и ускорений. В физике такие рассуждения о замкнутости причинно-следственного контура называют абракадаброй.
  Надо начинать с процесса зарождения вихря. Я вижу это как торообразное движение, наподобие кольца дыма. Однако при развитии "действующего тора" излишки кинетической энергии восходящего (или нисходящего) потока в ядре тора преобразуются в кинетику вращения уже второго порядка, что собственно мы и наблюдаем как смерчь. Откройте механику движения материальной точки по окружности... Что такое моменты сил и инерции? это виртуальная математика векторов, или это реальные векторные градиенты энергии? лино я не всегда могу здесь отличить вирт от реалити. Мне гораздо легче объяснять подобные движения через квантовую механику, как вероятностные движения, эволюционирующие в закономерные, путем поглощения порций макроскопической размерности (не планковские).

[Alexy]

На мой взгляд о температуре в вихре и около него говорить бессмыленно

ЕЕ технически нельзя ничем померить?

Но если нельзя, то может температуру там по какой-то формуле можно предсказать? (Я в термодинамике не силен)
Присутствует ли там адиабатическое расширение?

[valery1910]

 

выступающий вниз хвостик может быть результатом конденсации пара

Да именно так. Температура падает при понижении давления возникают условия для конденсации. Если ещё раз попользоваться аналогиями из авиации, то есть оч. подходящий пример. По телевизору теперь часто попадаются кадры где показан пилотаж истребителей. Во время исполнения фигур при больших углах атаки над крыльями вдоль фюзеляжа или на законцовках крыла на короткое время возникает белый шлейф(не путать со следом от двигателя). Там происходит срыв потока.Возникает зона пониженного давления(и температуры конечно), образуется конденсат. Кстати сам поток из "линейного" становится вихревым.
Если вернуться к атмосферному вихрю, то пока он не набрал мощность, его видно только по следу конденсации под облаком, потом он начинает подбирать с поверхности земли что найдет и становится виден весь с ног доголовы