Часть I
Синергетика.
Информационно-волновая
теория структур и систем
Глава 5
Вихре - волновой
резонанс
Предложенная классификация и связанные с ней новые теоретические модели позволили объяснить ряд новых физических явлений, обнаруженных экспериментально и теоретически при исследовании движения несимметричных тел в сплошной среде, как резонансное волновое взаимодействие вихревых и грибовидных структур с диспергирующими волнами, возникающими при их движении.
В последние
годы было открыто и широко исследовано
резонансное взаимодействие поверхностных и внутренних гравитационных волновых
движений [65].
Автором была
высказана гипотеза о возможности возникновения аналогичных резонансных явлений
при взаимодействии свободных вихрей и
грибовидных структур, а также газовых каверн, формирующихся при движении
тел в неоднородной сплошной среде (поле), с диспергирующими внутренними волнами
и другими типами волновых движений.
При
теоретическом обосновании предложенной гипотезы была использована изложенная
выше классификация волн, вихрей, структур и систем, на основе которой были
определены необходимые условия резонанса, названного нами вихре-волновым (или
структурно-волновым), состоящие в том, что скорости и размеры взаимодействующих
структур должны быть близки. Теоретические расчеты и экспериментальные
исследования частных проявлений вихре-волнового резонанса подтвердили
высказанную гипотезу [12], [66-70].
Экспериментально
и теоретически вихре-волновой резонанс исследовался при движении в неоднородной
среде несимметрично обтекаемых тел – крыльев. В этом случае возникают две
вихре-волновые структуры:
a)
вихревой пограничный слой на поверхности крыла и вихревой след за ним;
b)
диспергирующие поверхностные и
внутренние волны в неоднородной среде.
Проблема их
взаимодействия частично поддается математическому моделированию. Результаты
расчетов, полученные при теоретическом
исследовании взаимодействия возникающих вблизи крыла вихревых структур с
возбуждаемыми его движением присоединенными внутренними и поверхностными
волнами в режиме движения, который предполагался резонансным, показали, что
даже при установившемся движении крыла в неоднородной среде, если длина хорды
крыла близка к полудлине присоединенной к движущемуся крылу гравитационной
волны, то в потоке жидкости или газа должны возникать аномальные возмущения.
Эксперименты с крыльями, движущимися вблизи свободной поверхности воды, показали,
что в этом случае на границе раздела сред возникают интенсивные возмущения,
приводящие к разрушению волн и формированию вихревых структур, а силы,
действующие на поверхность крыла, изменяются аномальным образом. Основным
безразмерным параметром, определяющим вихре- волновой резонанс, в случае
движения крыла вблизи свободной поверхности воды, является число Фруда 
, где 
- скорость движения; 
- длина тела. Если этот параметр находится в диапазоне 
, то в потоке наблюдаются проявления резонансного
взаимодействия вихревых и волновых движений.
Как показали
теоретические расчеты, в случае произвольной стратификации жидкости 
(где 
-плотность нижней жидкости или газа, в которой движется тело,
-плотность верхней жидкости или газа), резонанс появляется при скоростях и размерах
движущихся тел, которые соответствуют тому же числовому диапазону, но для
обобщенного (денситометрического) числа Фруда (
). C уменьшением относительного
скачка плотностей при сохранении размеров движущегося тела скорость его
движения, соответствующая резонансному режиму, также уменьшается
пропорционально 
, тем не менее кинематические проявления вихре-волнового
резонанса сохраняют свою интенсивность.
Если 
, то число Фруда (
), при котором возникает резонанс, также стремится к нулю.
Этот результат, хотя ему и может быть найдено разумное теоретическое
объяснение, по нашему мнению, чрезвычайно значим: малые флуктуации плотности и
малые скорости движения могут привести, благодаря вихре-волновому резонансу, к
значительным возмущениям в стратифицированной среде (атмосфере, океане).
Аналогичные
явления могут происходить вблизи
подводных хребтов или горных массивов на поверхности земли при наличии
незначительных скачков плотности, вызываемых сравнительно слабыми ветрами и
течениями. Так как диапазон параметров движения, порождающего вихре-волновой
резонанс, очень узок, то сам резонанс возникает достаточно редко и требует
создания специальных условий для своего изучения. Тем не менее возмущения, им
вызванные, настолько велики, что могут явиться причиной аварий глубоководных
аппаратов или самолетов, летающих в горных областях.
Вихре-волновой
резонанс обнаружен экспериментально и теоретически также в ряде других случаев
взаимодействия вихревых и волновых структур (например, при взаимодействии
вертикально расположенного вихря с внутренними волнами в стратифицированной
сплошной среде, при кавитационном обтекании несимметричных тел , когда длина
присоединенной к телу паровой или газовой каверны близка к длине тела). Во всех
этих случаях не только наблюдались аномально большие возмущения параметров
потока (поля), но и формировались новые типы устойчивых структур, не
наблюдавшиеся при обычных условиях.
Исходя из
вышеизложенного, можно предположить, что появление резонансов подобного типа
возможно при различных природных явлениях, в которых присутствует неоднородная
сплошная среда (поле) и движущиеся в ней объекты или вихревые структуры, и даже
предсказать условия их возникновения. Вихре - волновой резонанс может явиться
одним из главных механизмов возникновения и стабилизации новых структур - то
есть одной из причин структуро- и системоформирования, особенно для
биологических объектов. Поэтому условия его возникновения и процессы,
происходящие во время этого типа событий имеют особый интерес для качественной
классификации событий мирового графа.
Не исключено,
что закон сохранения энергии является результатом того, что все типы
взаимодействия элементарных частиц осуществляются за счёт вихре-волнового
резонанса. Это тем более вероятно, что для этих частиц энергия и частота - вещи
идентичные, а условие сохранения энергии формально эквивалентно резонансному
соотношению частот взаимодействующих волновых структур.
Одной из
возможных гипотез возникновения жизни на Земле является резонансное
взаимодействие соленоидальной электро-магнитной структуры генома с грибовидной
(дипольной) структурой клетки, перемещающейся в сплошной среде и в свою очередь
резонансно взаимодействующей с нею.
Предсказанное
теоретически и обнаруженное экспериментально явление нелинейного
вихре-волнового резонанса вносит коренные изменения в существующие
представления о взаимодействии структур и систем. Как показывают теоретические
исследования, обнаруженное явление резонанса может проявляться всех тех случаях, когда какая-либо жесткая
или деформируемая система перемещается в неоднородной среде или взаимодействует
с неоднородным полем. Такие явления могут наблюдаться в метеорологии,
океанологии, астрофизике, физике плазмы,
химии , биологии , различных технологических процессах, при движении
транспортных средств. Разрабатываемая теория позволяет предсказывать основное
условие, при котором следует искать аналогичные явления и качественно
анализировать новые резонансные структуры.
Особого внимания заслуживает тот обнаруженный при изучении вихре
- волнового резонанса теоретический результат, что при уменьшении степени
неоднородности среды или поля резонансные явления, почти не затухая,
перемещаются в зону очень малых относительных скоростей перемещения тела и
сплошной среды (поля). Это позволяет использовать открытое явление как
эффективный индикатор малых неоднородностей в среде и устройство управления,
так как при резонансе значительный эффект может быть достигнут без значительных
затрат энергии.
Одним из главных
направлений использования открытого явления должно стать создание принципиально
новых методов распознавания образов. В настоящее время ведутся интенсивные
теоретические исследования, позволяющие обосновать возможность компьютерной
реализации этой идеи.