Kelvinova–Helmholtzova nestabilita

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na navigaci Skočit na vyhledávání

Kelvinova-Helmholtzova nestabilita je klasický příklad nestabilního chování kapaliny, který se objevuje u pohybujících se vrstev různých tekutin. Spolu s Rayleighovou-Taylorovou nestabilitou patří mezi základní hydrodynamické nestability.[1]

Jev byl poprvé popsán v roce 1868, kdy byl zkoumám německým fyzikem Hermannem von Helmholtzem.[1]

Mechanizmus je následující: rozhraní mezi dvěma zónami pohybujícími se různou rychlostí se může vlivem náhodné poruchy vychýlit na jednu stranu. V případě podzvukového proudění je tekutina na této straně lokálně urychlena (kvůli rovnici kontinuity), čímž se sníží lokální statický tlak jako důsledek Bernoulliova principu, že součet kinetické, tlakové a potenciální energie je po proudnici konstantní. Lokální snížení statického tlaku dá vznik síle, která dále rozhraní vychyluje stejným směrem, jedná se tedy o problém s kladnou zpětnou vazbou.

Tato nestabilita vede k turbulizaci smykových oblastí. Navíc podporuje fraktální charakter turbulence tím, že už vytvořené víry opět obsahují smykové oblasti na rozhraní jádra a obálky, které opět mohou podléhat Kelvinově-Helmholtzově nestabilitě.

Tato nestabilita není nestabilní[2] při nadzvukovém proudění, neboť lokální zúžení vede u nadzvukového proudění ke zpomalení rychlosti (a zvýšení hustoty, jelikož zákon zachování hmoty stále platí). Zpomalení rychlosti zvýší statický tlak a síla vrátí rozhraní do co nejrovnější podoby.

Schématický náčrtek Kelvin-Helmholtzovy nestability. Obrázek má 5 rámečků: v prvním vidíme rovné rozhraní mezi dvěma tekutinami tekoucími opačným směrem; 2: náhodná porucha způsobí vyboulení rozhraní; 3: tekutina, do které se rozhraní vyboulilo, má zmenšenou plochu, kterou protéká, je tedy lokálně urychlená; 4: lokální zvýšení rychlosti je spjato se snížením statického tlaku (výsledek Bernoulliovy rovnice). Toto snížení statického tlaku vyvolá sílu, jež dále vychyluje rozhraní stejným směrem. 5: pozitivní zpětná vazba pokračuje, vyboulení je unášeno a tím zakrucováno do podoby víru.
Schématický náčrtek Kelvin-Helmholtzovy nestability.

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. a b Kelvinova-Helmholtzova nestabilita [online]. Masarykova univerzita [cit. 2009-01-04]. Dostupné online. 
  2. FRIDMAN, Aleksei M.; FRIDMAN, Aleksei M. Current links for doi: 10.1070/PU2008v051n03ABEH006470. Physics-Uspekhi. 2008, roč. 51, čís. 3, s. 213. Dostupné online [cit. 2020-01-31]. ISSN 1063-7869. DOI:10.1070/pu2008v051n03abeh006470.