2011 – 2012 гг. Ученический исследовательский проект

Методы исследования: теоретические исследования, наблюдения, экспериментальные исследования Задачи: Изучить литературу по данной теме; Охарактеризовать виды и особенности возникновения вихрей и смерчей; Исследовать физическую картину явления на примере модели смерча.

В мощных тайфунах скорость ветра может превышать 60 м/с. В смерче скорость воздуха может достигать от 100 до 200 м/с.

Катего- рия Словесная характеристика Скорость (км/ч) Характеристика ущерба F0Штормовой64–116 Повреждает дымовые трубы и телевизионные вышки, ломает ветки деревьев, валит старые деревья, сносит вывески, повреждает дорожные знаки, разбивает окна. F1Умеренный117–180 Срывает крышу с домов, выбивает окна, опрокидывает мобильные дома, разрушает легкие постройки, может разрушать гаражи, валит старые деревья, перемещает автомобили. F2Значительный181–253 Значительные разрушения: срывает крыши с домов, наносит значительный ущерб стенам зданий, разрушает мобильные дома, разваливает или переносит легкие постройки, вырывает деревья с корнем, сдувает автомобили с дороги. F3Сильный254–332 Срывает крыши с домов и разрушает полностью или частично стены заданий, опрокидывает поезда, большую часть деревьев вырывает с корнем, поднимает в воздух и бросает тяжелые автомобили, срывает легкое покрытие с дороги. F4Разрушительный333–418 Частично или полностью разрушает прочные дома, легкие дома поднимает в воздух и переносит на некоторое расстояние, создает и всасывает в себя большое количество мусора и обломков, вырванные деревья переносит на некоторое расстояние, сдувает верхний слой почвы, поднимает в воздух и переносит на значительное расстояние автомобили и тяжелые предметы. F5Невероятный419–512 Колоссальные разрушения: сносит с фундамента прочные дома и переносит их на большие расстояния, наносит значительный ущерб прочным железобетонным конструкциям, переносит тяжелые автомобили на расстояние и более, полностью вырывает с корнем все деревья, производит прочие невероятные разрушения.

Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц - немецкий физик, физиолог и психолог, считается родоначальником теории вихревого движения. считается родоначальником теории вихревого движения.( ) Первая установка для образования прямых вихрей.

Маленький опыт А. Эйнштейна Процесс, который происходит при размешивании ложкой чая в обычной чашке. Эта чашка с чаем на самом деле и есть модель торнадо.

Для наблюдения формирования смерча использованы оборудование и материалы: o Стеклянная банка ( ёмкость 3 л), наполненная обыкновенной водой; o Водный раствор бриллиантовый зелёный, для подкрашивания воды; o Мелкие предметы: кусочки фольги и изоляционной ленты, мелкие камешки. o Миксер с насадкой, мощностью 350 Вт, скорость вращения насадки 10 4 об/мин, диаметр винта 3 см об/мин, диаметр винта 3 см. o Модель для демонстрации процесса образования смерча.

Критерий образования смерча: образование воронки, возникновение «хобота».

Самоорганизация смерча такова, что разбрасывая свою энергию в верхней части, возвращает её в нижней части. С течением времени ( 18 с) смерч угасает.

Номер опытаВремя воздействия винта насадки на жидкость, с Наблюдения Рис. 1 0< t < 7Наличие пузырьков воздуха в хоботе смерча Рис.2 7< t < 10 10< t < 12 Вытеснение пузырьков жидкости, устойчивое состояние смерча Рис. 320< t < 22устойчивое состояние смерча, более рельефный рисунок. Рис.1 Рис.2 Рис.3

1 ) В банке, заполненной на ¾ водой, наблюдаем смерч, т.к. присутствует воронка воды и хобот. Тип смерча - воронкообразный. 2) Максимальная длина смерча около 14 см. Длина смерча зависит от первоначально заданной энергии, которая определяется временем вращения винта насадки миксера. Длина смерча зависит от первоначально заданной энергии, которая определяется временем вращения винта насадки миксера. Максимальный диаметр воронки 12 см, определяемый диаметром банки на высоте 19 см от основания банки. Максимальный диаметр воронки 12 см, определяемый диаметром банки на высоте 19 см от основания банки. 3) После 10 секунд вращения винта задается максимальная энергия развития смерча и устанавливается максимальная длина хобота смерча. 3) После 10 секунд вращения винта задается максимальная энергия развития смерча и устанавливается максимальная длина хобота смерча. Дальнейшее вращение винта насадки, вследствие замкнутого объема жидкости, не увеличивает длину смерча. Дальнейшее вращение винта насадки, вследствие замкнутого объема жидкости, не увеличивает длину смерча. Но наблюдается его более рельефное изображение, уплотнение хобота. т.к. запас энергии в этом случае возрос, и время угасания смерча будет больше приблизительно на 15 секунд. Но наблюдается его более рельефное изображение, уплотнение хобота. т.к. запас энергии в этом случае возрос, и время угасания смерча будет больше приблизительно на 15 секунд. 4) Устойчивое вращение смерча непродолжительно. Максимальное время - 2 секунды. 4) Устойчивое вращение смерча непродолжительно. Максимальное время - 2 секунды. 5) Угасание «торнадо в банке» происходит вследствие работы силы трения жидкости о банку и выделение энергии в атмосферу. 5) Угасание «торнадо в банке» происходит вследствие работы силы трения жидкости о банку и выделение энергии в атмосферу. Время угасания торнадо в банке 18 с. Время угасания торнадо в банке 18 с.

Мелкие частицы фольги располагаются на поверхности жидкости: Fт < Fа. Движение «торнадо» способствует равномерному распределению частиц по всему объему банки.

Мелкие частицы изоляционной ленты располагаются на дне банки с водой: Fа< Fт. Энергии вращения слоев воды оказалось достаточным, чтобы приблизительно 50% частиц распределить по объёму банки

Мелкие камешки располагаются на дне банки с водой: Fа< < Fт. Энергии вращения слоев воды оказалось достаточным, чтобы только небольшая часть камней поднялась приблизительно на 5 см со дна банки.

1) По аналогии с реальным торнадо, наш «торнадо в банке» в соответствии со шкалой Фудзиты является умеренным торнадо. Он способен перемещать лёгкие частицы по всему объему жидкости в банке, но ему не хватило энергии для перемещения частиц более тяжелых. 2) «Торнадо в банке» - тепловая машина, преобразующая внутреннюю энергию жидкости в энергию вращения слоёв воды и частиц с последующим преобразованием в тепловую энергию атмосферы. 3) Для возникновения вращательного движения жидкой (и по-видимому, газообразной среды) необходим источник энергии этого вращения, расположенный в верхних слоях жидкости (или атмосферы). 4) Энергию вращения среды можно представить в виде суммы энергий двух примерно равных потоков нисходящего (происходящего на периферии) и восходящего (происходящего по оси вращения). Поэтому центральная часть торнадо, «хобот», обладает такой чрезвычайной разрушительной силой.

МОДЕЛЬ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ СМЕРЧА.

НАБЛЮДЕНИЕ ЗА ПРОЦЕССОМ ОБРАЗОВАНИЯ СМЕРЧА. Задав вращательное движение воде, наблюдаем образование воронки и хобота, т.е. образуется смерч. Тип смерча: хоботообразный. Вода самотеком переливается в нижний сосуд.

1) Цель проекта достигнута. Созданы две модели, отражающие процессы происходящие в смерче. 2) Проанализировано множество литературы на данную тему. 3) Проведены теоретические и экспериментальные исследования. 4) Но есть ли ответ на вопрос: Что такое смерч? Ответ на этот вопрос неоднозначен. С точки зрения физика-метеоролога - это скрученный дождь, неизвестная ранее форма существования осадков. С точки зрения физика-метеоролога - это скрученный дождь, неизвестная ранее форма существования осадков. Для физика-механика – это двухслойный вихрь с воздушно-водяными стенками и резким различием скоростей и плотностей обоих слоев. Для физика-механика – это двухслойный вихрь с воздушно-водяными стенками и резким различием скоростей и плотностей обоих слоев. Для физика-теплотехника смерч - это гигантская гравитационно-тепловая машина огромной мощности; в ней мощные воздушные потоки создаются и поддерживаются за счет теплоты фазового перехода вода-лед, которая выделяется водой, захваченной смерчем из любого естественного водоема, когда она попадает в верхние слои тропосферы. Для физика-теплотехника смерч - это гигантская гравитационно-тепловая машина огромной мощности; в ней мощные воздушные потоки создаются и поддерживаются за счет теплоты фазового перехода вода-лед, которая выделяется водой, захваченной смерчем из любого естественного водоема, когда она попадает в верхние слои тропосферы. До сих пор смерч не спешит раскрывать и другие свои тайны. До сих пор смерч не спешит раскрывать и другие свои тайны. Поэтому есть вопросы для дальнейших более подробных исследований.

Ученики 9 класса «Б» ГОУ ЦО 1424 Костырин Никита Случевский Никита Руководитель проекта учитель физики Скитева И.И.