Тепловая конвекция — интерактивный симулятор

Что это за опыт

Тепловая конвекция Рэлея–Бенара — образцовый опыт о самоорганизации. Тонкий слой жидкости зажат между горячей нижней и холодной верхней пластинами. Нагретая снизу жидкость расширяется, легчает и стремится всплыть, а холодная сверху — утонуть; этому мешают вязкость и теплопроводность, успевающие размыть перегрев.

Исход борьбы определяет безразмерное число Рэлея Ra. Пока оно меньше критических 1708, тепло переносится только теплопроводностью и жидкость неподвижна. Как только Ra переходит порог, подъёмная сила побеждает — слой самоорганизуется в аккуратные валики: соседние крутятся во встречные стороны и смыкаются потоками, образуя ячейки почти правильной ширины.

В симуляторе золотые частицы-трассеры (горячие) всплывают в одних столбах, синие (холодные) опускаются в других — течение замкнуто и не перемешивает слой хаотично. Тот же механизм лепит грануляцию на поверхности Солнца, гонит воздух в атмосфере и движет мантию под земной корой.

Формулы

Методичка к уроку

Как показать опыт за пять минут на проекторе или интерактивной доске:

• Медленно поднимайте ползунок «ΔT низ − верх» и следите за плиткой «Ra / Ra кр»: при переходе через 1 подпись «режим» меняется с «покой» на «валики».
• Остановитесь у порога: конвекция включается около ΔT ≈ 25 °C (Ra = 1708) — ниже жидкость стоит, выше рождается узор.
• Меняйте ползунок «Число ячеек» от 2 до 6 и смотрите, как перестраивается рисунок валиков и их пунктирные границы.
• Включите тумблер «Поле скоростей» — стрелки покажут замкнутое вращение внутри каждой ячейки, а «Частицы-трассеры» раскрасят поток по температуре.

Полная методичка с формулами, графиком, примером расчёта и задачами для самопроверки встроена в сам симулятор — кнопка «📘 Как это работает».

Частые вопросы

Похожие опыты

Двигатель Стирлинга Броуновское движение Радиометр Крукса