Стовпчики Тейлора

Блок 1. Резюме

Метою роботи є відтворення процесу формування стовпчиків Тейлора.

Блок 2. Попередня інформація

Під час спостережень за льодовим покривом у Чукотському морі було помічено, що коли лід відступає, він залишає зони, які містять лід, який не розтанув над підводною горою. На рис. 1.1 зображено відступання краю льоду влітку 1994 року в Чукотському морі, де контури краю льоду показано разом із картою глибин, яка демонструє підводний рельєф Чукотського моря. Білі зони — це мілководдя (0-40 м), темно-сірі — глибока вода (більше ніж 60 м), а чорні — суша. Знімок демонструє, що коли лід відступає, він залишає лід над мілиною Геральд, підводною горою, яку можна побачити як круглу білу ділянку приблизно в центрі зображення. Це явище повторюється кожного літа протягом сезону танення як над мілиною Геральд, так і над мілиною Ханна, меншою мілиною біля узбережжя Аляски поблизу каньйону Барроу. Такий феномен викликаний тим, що більш холодна вода утримується над морською горою. Цей феномен пояснюється утворенням стовпчиків Тейлора.

Рис. 1.1. Імовірний вплив стовпчиків Тейлора на танення літнього льоду в Чукотському морі (Martin and Drucker, 1997)

У дослідах з обертовою рідиною встановлено, що за однорідності рідини потік у ній є двомірним та не змінюється з глибиною в напрямку вектора обертання Ω.

Це є наслідком теореми Тейлора – Прудмана, яка стверджує, що при обертанні тіла з рідиною з постійною швидкістю швидкість рідини буде незмінною вздовж будь-якої осі, що паралельна осі обертання. Тобто зміни горизонтальної компоненти швидкості дорівнюють нулеві. Отже, вертикальні стовпчики рідини рухаються в обертовій рідині з постійною глибиною, тому що вони не можуть змінюватися в напрямку z. Ці колонки поводяться, як суцільні тверді колонки, що рухаються вздовж траєкторії з постійною глибиною. Тож горизонтальний потік  вимушено відхиляється, оминаючи  перешкоди, що показано на рис. 1.2.

Рис. 1.2. (а) – Теорема Тейлора – Прудмана; (б) – горизонтальний потік відхиляється, оминаючи  перешкоди

Такі стовпці рідини називаються колонками Тейлора за іменем Джеффрі Тейлора (1886–1975) — британського фізика, математика та фахівця з гідродинаміки й теорії хвиль, члена Лондонського королівського товариства (1919), який вперше продемонстрував їх експериментально.

Блок 3. Обладнання

Обертова платформа, резервуар з квадратною основою, хокейна шайба, барвник.