Тайфуны в трубах
Что за несусветица такая — полезный ураган? Ураган, выдергивающий столетние дубы, как морковку, топящий корабли — и вдруг полезный?
Ураган — это беда!
Воздушный океан никогда не бывает спокойным. Виною этому Солнце. От нагревания воздух расширяется и перемещается. Возникает ветер. Но одно дело легкий, приятный бриз, а совсем другое — сокрушительный тайфун.
И каких только бед не творит ветер!
Вот что сказано в старинной Никоновской летописи: «В лето 6487 (это соответствует 979 году.— Г. М.) быша знамения в Луне и в Солнце и в звездах, и быша громы велицы и страшны, и ветры сильны с вихрем, и много пакости бываху человеку и скотам и зверям ползским».
Величайшая катастрофа была вызвана ураганом, который пронесся в 1780 году над Вест-Индией. Огромная волна, порожденная тайфуном, смыла в океан триста тысяч человек и потопила двадцать тысяч различных судов. Ветер подхватил, словно пушинку, тяжелую пушку и перетащил ее на 126 метров...
Немало ран наносил взбунтовавшийся воздух Петербургу—Ленинграду. Особенно памятно наводнение, происшедшее в Петербурге осенью 1824 года.
Но силой ветров от залива
Перегражденная Нева
Обратно шла, гневна, бурлива,
И затопляла острова.
Погода пуще свирепела,
Нева вздувалась и ревела,
Котлом клокоча и клубясь,
И вдруг, как зверь остервенясь,
На город кинулась...
И всплыл Петрополь как тритон,
По пояс в воду погружен...
Так описал Пушкин это бедствие.
Более, чем на три с половиной метра выше нормального уровня подняла невидимая воздушная плотина воду в Неве и в 1924 году.
Это результат разрушительной работы рассвирепевшего ветра.
Подобных примеров в истории катастроф мы найдем великое множество.
В июле 1825 года на острове Гваделупа резкий порыв ветра взметнул толстую доску и проткнул ею, словно копьем, 35-сантиметровую пальму. В августе 1845 года ураган дотла разгромил чудесную Маромскую долину во Франции. В час дня внезапно налетел ветер. Большие ткацкие фабрики были разрушены ураганом. Под их развалинами погибли сотни рабочих. А посреди страшных развалин каким-то чудом уцелело здание машинного отделения фабрики; правда, и оно сильно пострадало, но машина продолжала работать, пока в котле не иссяк пар...
Двадцать пятого мая 1937 года буря огромной силы пронеслась над Москвой. День моментально превратился в ночь. Из-за свиста и гула ветра не слышно было раскатов грома, хотя молнии беспрестанно бороздили небо. В Орликовом переулке буря выдавила толстое зеркальное стекло в окне магазина, а на туристской базе «Динамо» сорвала с фундамента эстраду. В Раменском урагану попался «под руку» башенный кран. Многотонная металлическая громада повалилась под напором ветра, как подрубленная сосна...
В сентябре 1938 года буря, грянувшая в городе Стоннингтоне (США), выбросила на железнодорожное полотно. .. пароход «Руфь».
Все ураганы, тайфуны и циклоны почему-то названы звучными женскими именами: «Дора», «Клео», «Флора», «Инга», «Роза»... Но за этими красивыми и приятными именами скрываются весьма неприятные, свирепые воздушные разбойники, сокрушающие все на пути своего продвижения. Как только становится известно о начале путешествия какой-либо из «ветреных красавиц», тотчас же в эфир несутся тревожные сигналы радиостанций: три тире и три буквы Т — «берегись, идет ураган!».
Только в 1960 году три урагана — «Эбби», «Клео» и «Бренда», налетев на Северную Атлантику, унесли 185 человеческих жизней и причинили материальный ущерб в 410 миллионов долларов.
Не менее свирепой оказалась и «Хильда» — ураган, пронесшийся в начале октября 1964 года над штатом Луизиана в США: уничтожено было 127 построек, убито 37 человек, повреждено 14 тысяч жилых домов. Во время этого урагана в тюрьме города Ангола вспыхнули беспорядки; воспользовавшись суматохой, шестеро заключенных бежали на волю... В городе Эрат «Хильда» повалила, словно кеглю, 38-метровую водонапорную башню. Бак с 150 тоннами воды рухнул на здание муниципалитета, разрушив его до основания и убив 8 человек... Вдобавок, «Хильда» начисто сдула все посевы риса и сахарного тростника. У всех еще в памяти и другой ураган — «Флора», нанесший в октябре 1963 года огромный ущерб Кубе и унесший только на острове Гаити 4000 человеческих жизней...
В этой страшной разрушительной силе ураганов повинны давление и скорость ветра. Закон аэродинамики гласит: «давление ветра на неподвижную поверхность, перпендикулярную его направлению, приблизительно пропорционально квадрату скорости ветра». Легко подсчитав, что давление, оказываемое ветром, дующим со скоростью 50 метров в секунду (а эта скорость характерна для очень сильных ураганов) на каждый квадратный метр неподвижного препятствия, равняется 2,5 тоннам, а при скорости 100 метров в секунду — 10 тоннам!
Что же удивляться разрушениям, которые несут с собою ураганы? Ведь это — настоящие невидимые сверхтяжелые танки, которые всё давят на своем пути!..
Порою ураганы увлекают с собою и сбрасывают вместе с дождем где-нибудь за тридевять земель самые неожиданные предметы. «Дожди» из апельсинов, лягушек, крабов, рыб, саранчи, майских жуков, раков, пауков, каракатиц — вот далеко не полный перечень тех «грузов», которые подчас переносит ураган или смерч. Выпадали дожди серные и цветочные, масляные и ртутные, мраморные и денежные. Не раз с небес сыпались цветные снег и град. Красный снег выпал как-то в Норвегии, зеленый— на острове Шпицбергене, желтый — на Украине. .. Во всех этих случаях ветер подхватывал где-то одноклеточные микроорганизмы, водоросли, охру, растения и «угощал» ими города и села.
На море ветер закручивает штопором и поднимает на полтора-два километра водяные смерчи. Похожие на гигантские слоновьи хоботы, смерчи всасывают в себя всё, что попадается им на пути, и несут свою добычу с головокружительной быстротой. Горе тому, кто угодит под удар такого хобота!
На суше смерчи делают то же самое. Летом 1927 года над озером около города Серпухова появился смерч. Своим хоботом он втянул сотни тонн воды, а с нею вместе и рыбу, поднял всё это на километровую высоту и, крутясь, кинулся на город. К великому удивлению горожан, на улицы полился дождь из карасей, щук и лещей. В тот день у многих серпуховчан к обеду была даровая уха и жареная рыба...
В Германии однажды выпал дождь из колотых сосновых дров: смерч подхватил где-то поленницу и доставил топливо прямо на дом людям. А 17 июля 1940 года в селе Мещеры Горьковской области с неба вдруг посыпались серебряные пластинки, похожие на рыбью чешую, с изображением на одной стороне всадника с копьем, а на другой — с надписью: «Великий князь всея Руси Михаил Федорович».
Все объяснилось просто. Смерч где-то разворошил старинный клад, поднял на воздух глиняные кубышки с монетами, а потом вместе с дождем высыпал свою ношу на Мещеры. После ливня школьники собрали и передали краеведческому музею около тысячи серебряных копеек древней чеканки...
Вот на что способен ветер, когда он дует с огромной силою, никем не обузданный.
Слабый ветер уже давно приручен. Человек много лет назад заставил такой ветер работать. Парус — древнейшее изобретение. Ветряная мельница известна человечеству уже более пяти тысячелетий. Еще сравнительно недавно — в 1836 году — двенадцать тысяч ветряных мельниц махали крыльями в Голландии, откачивая непрерывно воду, чтобы спасти от затопления низменные районы страны. Четверть миллиона ветряков мололи муку на деревенских околицах в царской России. В наше время многие тысячи усовершенствованных ветряных двигателей качают воду, вращают динамо-машины, вырабатывая электроэнергию, в колхозах, совхозах, на полярных зимовках.
Однако все, что мы описали, не очень-то согласуется с названием этого рассказа. Разумеется, ураган, или ветер, дующий со скоростью более 20 метров в секунду, не очень-то годится, чтобы подгонять парусное судно или вращать скрипучие крылья мельниц: вспомните о том сокрушающем давлении, которое оказывает ветер на неподвижные предметы. Ветер бывает полезен, но от урагана пользы никакой. Одни лишь беды несет он на своих разрушительных крыльях.
И тем не менее человек, изучая повадки бури-разбойницы, заставил ее служить делу созидания, а не разрушения.
Покорить ураган настоящий, заставить его дуть или не дуть, человек пока еще не в состоянии. Но он научился создавать ураган искусственный, дующий в трубах с такой силою, что по сравнению с ним самый жестокий тайфун покажется безобидным ветерком.
Зачем же понадобился человеку такой ураган?
Искусственный ураган нужен для испытания летных качеств будущих самолетов, для исследования условий обтекания автомобилей, пассажирских железнодорожных вагонов, быстроходных судов, лопаток турбин. Для этого устраивают специальные трубы. Они называются аэродинамическими: от греческих слов «аэр»— «воздух» и «ди-намис» — «сила». Подобно зрительной трубе астронома, аэродинамическая труба является главным инструментом ученого-аэродинамика.
Аэродинамическую трубу, в отличие от дымовой, не ставят, а кладут — она горизонтальная.
Нынешние реактивные самолеты движутся со скоростью, превосходящей скорость звука, т. е. более 340 метров в секунду. Введено специальное научное понятие: «число Маха», или просто М. Это число характеризует отношение скорости самолета (или другого движущегося предмета) к скорости звука. Появились самолеты, летающие со скоростью 2, 3, 4 и более М. Чтобы построить такой самолет, надо сначала испытать его модель или опытный образец в аэродинамической трубе. Для этого модель помещают внутрь трубы и создают в ней сверхсильную бурю, иногда в десятки М.
Заберемся — разумеется, мысленно — в аэродинамическую трубу. В средней ее части укреплен специальный прибор — аэродинамические весы. К ним подвешена модель будущего самолета (а иногда и части опытных образцов самолетов). По сигналу испытателя механик открывает клапан воздушной магистрали, и в трубу с огромной скоростью врывается воздушный поток, обдувая модель. Ведь с точки зрения физики совершенно безразлично, что движется: воздух или самолет. И в том, и в другом случае самолет (либо его модель) встречает сопротивление воздуха. В аэродинамических трубах неподвижна модель, а движется воздушный поток.
С помощью приборов ученые, находясь вне аэродинамической трубы, прекрасно видят всё, что происходит внутри нее. Аэродинамическая труба — подлинная лаборатория: аэродинамические весы, многочисленные регистрирующие приборы (датчики), укрепленные на модели, добросовестно сигнализируют о поведении модели, обдуваемой ураганом. Когда все данные (скорость воздушного потока, сопротивление модели, прочность и вибрационная стойкость отдельных ее частей) собраны и обобщены, ученые математическим путем пересчитывают полученные результаты уже применительно не к модели, а к настоящему самолету. По этим вычислениям конструктор может узнать, что надо изменить, чтобы получить наилучшую форму и конструкцию детали, узла, машины в целом. Модели наших всемирно известных воздушных лайнеров — ТУ-104, ТУ-114, ИЛ-18, АН-10 и многих других в свое время тоже подвергались испытательным обдувкам в аэродинамических трубах. Побывали в трубах и модели (а также и натурные образцы) вагонов для скоростных экспрессов, локомотивов, судов на подводных крыльях, скоростных катеров, глиссеров, автомобилей.
Современные фабрики «искусственных ураганов» — это сложнейший комплекс машинных залов, приборов, электронных вычислительных машин. Вот, к примеру, что сообщал иностранный технический журнал об аэродинамической трубе, построенной на американской авиационной базе Райт-Паттерсон в штате Огайо. Эта труба приспособлена специально для исследования авиационных двигателей реактивных самолетов. В ней можно имитировать условия полета на высотах от 30 до 85 километров при скоростях до 10 М. Длина аэродинамической трубы достигает 60 метров, а внутренний диаметр — 3 метров. Оригинально устроена система подачи воздушного потока в трубу. Сначала мощные компрессоры постепенно сжимают водород, доводя его давление до 2000 атмосфер. Выпущенный из хранилища, водород врывается в трубопровод со сжатым воздухом и, действуя, словно поршень, с гигантской силой вталкивает воздух через небольшое щелевидное сопло внутрь аэродинамической трубы. Поток воздуха с огромной скоростью обдувает закрепленный в середине трубы авиадвигатель. Изменяя по желанию поперечное сечение щелевидного сопла, можно получить воздушные потоки скоростью от 0,5 до 10 М.
В американском городе Туллахома действует аэродинамическая труба со скоростью воздушного потока, также достигающей 10 М. В этой трубе (ее поперечник почти полтора метра) испытывают модели самолетов-снарядов и ракет дальнего действия. При гигантской скорости движения воздух сильно нагревается. В трубе свирепствует хамсин — раскаленный ветер пустынь, только в сто раз сильнее его по скорости и в тридцать раз горячее. Чтобы охладить непомерный жар воздушного потока, его пропускают сквозь очень узкую щель. Воздух, выходя из щели, мгновенно расширяется и при этом охлаждается. Теперь уже дует не хамсин, а близзард — леденящий ураган Антарктики, но вдесятеро холоднее... И всё равно, продолжая двигаться с прежней скоростью, воздух снова разогревается. Приходится непрерывно охлаждать стенки трубы от чрезмерного перегрева. Вода, нагретая ледяным ураганом, отапливает зимой все помещения испытательной станции.
Опыт использования гигантских воздушных потоков в аэродинамических трубах подсказывает новые, подчас неожиданные пути применения искусственных ураганов. Одно из таких применений — струйные мельницы.
Да, человек заставил разбушевавшуюся воздушную стихию стать мельником: у мастера-невидимки, таким образом, появилась еще одна профессия.
Одну из «ураганных мельниц» построил советский ученый В. Т. Любушкин. Его установка представляет собой горизонтальный цилиндр, сделанный из стальных листов. С обеих сторон цилиндр прикрыт герметическими бункерами для засыпки зерна. Из бункеров внутрь цилиндра выходят короткие патрубки-сопла, по которым может пройти тонкая струйка зерен. В средней части цилиндра прорезан иллюминатор, закрытый толстым прозрачным плексигласовым листом.
.. .Нажата кнопка магнитного пускателя. Запел на высокой ноте электродвигатель, загудел мощный компрессор. Внутрь цилиндра с обеих его сторон ринулись два воздушных потока — настоящих сверхсильных урагана: скорость движения каждого из встречных потоков — 400 метров в секунду!
Сквозь прозрачный иллюминатор хорошо видно, как зёрна пшеницы, подхваченные из сопел потоками воздуха, помчались навстречу друг другу. Вот они столкнулись и словно взорвались — мельчайшая мучная пыль мгновенно заполнила цилиндр. А воздух продолжает молоть зёрна...
Время от времени мельница разгружается от готовой муки; простой невелик,— и опять воздушные потоки гонят зёрна, измалывая их в мельчайшую муку.
С какой же силой соударяются пшеничные зерна при встрече? Попробуем подсчитать эту силу, воспользовавшись известной из школьного курса физики формулой кинетической энергии (она обозначается буквой Т):
Т= Mσ2/2
Иными словами, кинетическая энергия равна половине произведения массы на квадрат скорости. Но так как движется система тел (два зерна, каждый со своей скоростью), то общая кинетическая энергия выразится суммой энергий обоих тел. И она настолько велика, что зерна, не выдержав силы соударения, мгновенно разлетаются в пыль.
И не только пшеничные зерна. Струйные мельницы успешно применяются для измельчения таких материалов, которые с трудом поддаются помолу на обычных мельницах: например угля, агата и других твердых материалов.
Пока что такие мельницы — принадлежность исследовательских лабораторий. Но можно не сомневаться в том, что появятся и новые мукомольные мельницы — без жерновов, вальцевых станков и других машин.
Струйную пневмотехнику с успехом использовали инженеры Нижнеудинской слюдяной фабрики для механизации расщепления слюды на тончайшие листочки.
Слюду-сырец нагревают в печи, а потом погружают в холодную воду с разведенным в ней мелом. Слюда растрескивается, частицы мела проникают в трещинки между пластинками и расталкивают их сильнее. Затем слюду подсушивают, прокатывают между валками и помещают в трубопровод, по которому подается горячий воздух. Мощный поток воздуха, разбиваемый слюдой на многие струйки, довершает начатую работу: расщепляет минерал на тончайшие листочки и сам же транспортирует их к месту сортировки.
Струйное расщепление позволило увеличить производительность труда при обработке слюды в 20 раз по сравнению с прежним ручным способом.