Управление образования города Пензы

МКУ «Центр комплексного обслуживания и методологического обеспечения

учреждений образования» г. Пензы

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя образовательная школа №32 г. Пензы

Городская конференция исследовательских работ и творческих

проектов младших школьников «Я открываю мир»

в рамках XXIII научно-практической конференции

школьников города Пензы

Научно-технический проект

Атмосферные вихри

Моделирование смерча

Выполнил: Матюгов Вадим Петрович

МБОУ СОШ №32 4 «Б» класс

Руководитель: Шалаева Лидия Николаевна

учитель начальных классов МБОУ СОШ №32

Пенза-2018 г.

1

Содержание

I. Введение

1.1. Актуализация темы

1.2. Обоснование и цели исследовательского проекта

II. Теория возникновения и классификация атмосферных вихрей

III. Практическая работа по моделированию вихрей

IV. Исследования вихря и выводы из результатов моделирования

V. Заключение

VI. Литература

стр.3

стр.3

стр.4

стр.5-7

стр.8

стр.9

2

I. Введение.

Я, Матюгов Вадим, ученик 4 «Б» класса школы №32 г. Пензы. Мне 10 лет. Тему своего

проекта я выбрал на уроке «Окружающий мир» когда мы знакомились с природными вихрями

— торнадо. Смерчи и торнадо мне всегда были очень интересны своей одновременно пугающей

и притягивающей мощностью и красотой. Без раздумий я вызвался сделать настольную модель

этого явления так как очень хотелось разобраться и ответить на свои вопросы — почему же он

крутится, почему сохраняет свою форму и не разваливается, можно ли его взять под контроль.

1.1. Актуализация темы.

Я считаю, что выбранная мною тема проекта очень важна. Для меня лично, так как это

первая моя исследовательская работа и для всего общества, так как с потеплением климата в

России

стали

учащаться

случаи

появления

разрушительных

смерчей

большой

мощности.

Прохождение смерча через населённые пункты приводит к огромному материальному ущербу и

не редко, к гибели людей. Для того, что бы придумать меры борьбы с разрушительными

смерчами

необходимо

детально

изучить

процесс

образования

и

условия

устойчивости

атмосферных вихрей.

1.2. Обоснование и цели исследовательского проекта

Цель

проекта: прохождение

всех

этапов

исследовательских

работ

по

изучению

и

моделированию воздушных вихрей.

Результат

проекта

и

его

конечный

продукт: опыт исследовательских работ от теории к

практике и создание действующей модели воздушного вихря.

Гипотеза: если

правильно

разобраться

в

причинах

возникновения

природных

вихрей,

то

воссоздав эти условия искусственно, можно получить рукотворный вихрь.

Задачи и методы исследования:

- изучение существующих теорий возникновения атмосферных вихрей

- выявление главных условий образования вихрей

- моделирование (воссоздание главных условий образования вихрей в опытной установке)

- доведение модели до устойчивого результата (обязательное появление вихря при включении

опытной установки)

- исследование полученного воздушного вихря

II. Теория возникновения и классификация атмосферных вихрей.

Смерч

(синонимы:

торнадо,

тромб)

–

это

атмосферный

вихрь.

Он

возникает

из-за

неустойчивости

атмосферы

на

границе

раздела

тёплого

и

холодного

воздуха.

Смерч,

как

правило,

рождается

из

куче-дождевой

тучи.

Эта

туча

называется

материнской

и

обычно

достигает высоты 10 км. Из тучи холодный воздух опускается на поверхность земли, навстречу

теплому восходящему потоку. Возникает вращательное движение воздуха – смерч. Внутри

3

смерча

давление

сильно

падает.

Смерч,

опустившись

на

поверхность

земли,

с

шумом

закручивает и словно гигантский пылесос засасывает в себя пыль, песок, воду, траву, камни и

прочее.

Смерчи бывают нескольких видов:

- бичеподобные;

- расплывчатые;

- составные;

- огненные;

- водяные.

Существует множество теорий возникновения смерчей, но ни одна из них не может

предсказать место и время появления опасного явления, а значит что-то остаётся не учтённым.

Несмотря на множество мнений во всех теориях повторяются несколько одинаковых условий

возникновения вихря:



наличие мощного восходящего тёплого потока воздуха;



столкновение теплого и холодного воздуха с расположением тёплого внизу, а холодного

наверху;



вращение

практически

всех

атмосферных

вихрей,

в

северном

полушарии

земли,

происходит против часовой стрелки и причину этого явления называют силой Кариолиса

(в честь её открывателя Гаспа́

ра-Гюста́

ва де Кориоли́

са);



в центре вихря вдоль его оси, находится зона разряжённого воздуха, куда стремится

попасть весь окружающий воздух, но не может из-за огромной скорости вращения

самого вихря.

Если учесть, что столкновение теплого и холодного воздуха является причиной образования

восходящих потоков, то пункт № 2 лишь подтверждает необходимость наличия восходящих

потоков для образования смерча.

III. Практическая работа по моделированию вихрей.

Не зная с чего начать я сделал первую установку

в которой попытался закрутить

воздушный вихрь принудительно направляя поток воздуха от двух вентиляторов внутрь трубы

вдоль ее стенок, а для визуализации границ вихря применил ультразвуковой генератор тумана

(стр 11). К большому огорчению вихрь если и получился, то только в пределах трубы, и он не

был похож на природный смерч - у него не было видимых границ.

Анализируя неудачу и

сравнивая установку с природным смерчем, я заметил, что в природе вихрь раскручивается сам

и вращение передаётся сверху в низ, и я убрал два нижних вентилятора. Верхние вентиляторы

воссоздают 1 и 2 условие из списка - они остались.

4

Четвёртое условие из списка обеспечивается самим вращением вихря. И остаётся самое

непонятное условие образования смерчей - сила Кариолиса, которая должна закрутить вихрь

против часовой стрелки.

Сложное для понимания определение силы Кариолиса стало простым после проведения

простого эксперимента на вращающейся карусели

Если раскрутить карусель против часовой стрелки и попытаться двигать ногой к её

центру и обратно, то явно ощущаешь, как против твоего желания нога отклоняется вправо от

направления движения.

Разглядывая изображение вихря сверху становится понятно, как образуются все вихри на

вращающейся земле. Как и на карусели, воздух, двигающийся из зоны высокого давления в зону

пониженного давления, отклоняется силой Кариолиса в правую сторону, и вся энергия этой

массы воздуха переходит в энергию вращения.

А в моей установке окружающий воздух не поступает из окружающего пространства в

зону разрежения от вентиляторов, так как я поставил герметичную прозрачную трубу – значит,

убираем трубу. После нескольких вариантов установки с различными изменениями конструкции

и

высоты

расположения

вытяжных

вентиляторов,

наконец-то

стал

появляться

вихрь

с

видимыми границами. Исходя из этой информации, можно предположить, что ещё одним

фактором,

влияющим

на

появление

вихря,

может

быть

расстояние

от

земли

до

кромки

материнской тучи. Дальнейшая доработка установки заключалось в установке стеклянных

стенок для защиты тела вихря, от каких-либо порывов воздуха в помещении и регулировке

зазорами между стёкол, объёма воздуха поступающего внутрь установки для определённой

высоты расположения вытяжных вентиляторов.

Таким

образом,

достигнута

цель

моделирования,

получен

устойчивый

вихрь

с

чёткими

видимыми границами.

IV. Выводы из результатов моделирования и исследования вихря



Для зарождения вихря, главным условием является мощный скоростной восходящий

поток тёплого воздуха, в установке его роль выполняют два вытяжных вентилятора;



Вторым по важности условием является равномерность поступающего в вихрь воздуха, в

установке это обеспечивается одинаковыми зазорами между прозрачными стенками

установки;



Для образования вихря требуется более высокая скорость вращения вытяжного

вентилятора чем для поддержания уже существующего вихря;



При снижении оборотов вращения вытяжных вентиляторов получается бичеподобный

вихрь, а при повышении их до максимума он превращается в расплывчатый, таким

5

образом

выявляется

зависимость

мощности

смерча

и

его

диаметра,

от

мощности

восходящего потока;



Если даже не сильно подуть на вихрь во время работы установки, то он разваливается,

что опровергает одну из теорий, по которой устойчивые смерчи вызываются порывами

ветра;



Если ставить целью предотвращение или ослабление смерча, то эффективнее всего

воздействовать каким-либо способом на участок с максимальной скоростью восходящего

потока с целью уменьшения этой скорости;



Если подсветить поперечный срез вихря лампой с щелевой насадкой, то вихрь очень

сильно своей формой напоминает форму нашей галактики. Выходит, что наша галактика

тоже вихрь?!



В северном полушарии земли циклоны и смерчи закручиваются против часовой стрелки,

а в моей установке вихрь, вращается по часовой.

После долгих выяснений причины оказалось, что лопасти вытяжных вентиляторов вращаются

по часовой стрелке и они задают такое же направление вращения зарождающемуся в установке

вихрю.

Для того чтобы исключить влияние вращающихся лопастей вентиляторов и проверить

действие Кориолисовых сил, я поставил перед вентилятором «успокоитель потока», набранный

из

множества

тонких

трубочек,

пропускающих

воздух

лишь

вдоль

оси

успокоителя

и

выпрямляющий любые поперечные перемещения воздуха в поток одного направления.

И в

результате всё закрутилось в полном соответствии с теорией Кориолиса – против часовой

стрелки! Не смотря на то, что вихрь в установке зарождался на много дольше, чем раньше, но

зато теперь это настоящий смерч, хотя и ручной.

V. Заключение

В своём проекте я ставил цель - прохождение всех этапов исследовательских работ по

изучению и моделированию воздушных вихрей. Я думаю, что цель достигнута, задачи все

решены, получен хороший опыт и у меня теперь есть чудесный ночник с живым торнадо

внутри. И я верю, что в будущем можно будет взять под контроль эту стихию и получать из неё

энергию на благо людям.

VI. Литература

6

1.

Арсеньев С.А., Николаевский В.Н. Рождение и эволюция торнадо, ураганов и тайфунов.

Российская Академия Естественных Наук. Известия секции наук о Земле. 2003,

Выпуск 10

2.

Википедия - вэб-энциклопедия

3.

Ураганы, бури и смерчи. Наливкин Дмитрий Васильевич

4.

Торнадо . Вараксин А.Ю., Ромаш М.Э., Копейцев В.Н. Физматлит

7

VII. Приложения

Приложение 1._______________

8

9