Аннотация.

Современная физика прекрасно математически описывает округлую форму солитона, двигающуюся по поверхности воды. Но математическая водица выплеснула физического ребёнка. Что творится под округлым холмиком никого не интересует. А под холмиком природа организовала полноценную жизнь, в которой элементарные вихри солитона двигаются по концентрическим окружностям. А для организации перемещения солитона его элементарные вихри постоянно изменяют орбиту своего движения, перескакивая с одной окружности на другую и обратно.

Современная физика представляет солитон в виде округлого холмика, двигающегося по поверхности воды, совершенно не задумываясь о том, что же творится под ним. Но ещё братья Вёбер в 19 столетии экспериментально доказали, что под холмиками волн от брошенного в воду камня частички воды двигаются по окружностям. Солитон же это одиночный холмик, иногда называемый уединённой волной. Поэтому представление братьев Вёбер применимо и в этом случае.

Рисунок 1

Подобную же картину рисует и Сирович ( Sirovich L., Ball K. L., Keefe L. R. Plane waves and structures in turbulent channel flow. Phys Fluids A2 (12), December 1990, 2217-2226).

Рисунок 2

Элементарные вихри системы вихрей Тейлора двигаются правда не по окружностям, а по спиралям. Но солитон двигается. Что же при этом происходит с элементарными вихрями?

Как обычно рассмотрим две соседние окружности, по которым двигаются элементарные вихри. Т.к. внутренняя окружность в своём движении должна опережать внешнюю, то между ними по касательной появляется трение скольжения. По правилу прецессии противодействующая сила действует по радиусу. И на каждый элементарный вихрь внутренней окружности по радиусу действует центростремительная сила. Вновь применяем правило прецессии и выясняем, что у элементарных вихрей обязана измениться угловая скорость вращения. Следовательно каждый из элементарных вихрей оказывается в условии неустойчивого равновесия. Увеличил угловую скорость сверх оптимальных пределов и вихрь перейдёт во внутреннюю окружность. Недостаточно увеличил угловую скорость вращения и элементарный вихрь перейдёт в наружную окружность. Оптимальность же угловой скорости вращения гарантирует вращение солитона подобно твёрдому телу с постоянной угловой скоростью на любом радиусе.

Но линейное передвижение солитона должно сопровождаться прилипанием какой-то его части к дну канала (скажем Эдинбургского). А это означает, что у солитона должна существовать временная «подушка», которую он включает в свой состав на переднем фронте, чтобы без сожаления расстаться с ней на заднем фронте. Поэтому перед солитоном и появляется небольшая выемка, изображенная на рис 1.

Но и основная часть солитона, вроде и показывая свойства твёрдого тела, в действительности им не является. Ведь «подушку» солитон обязан как включать в свой состав, так и избавляться от неё. А это требует перестройки всей структуры солитона. И состояние неустойчивого равновесия элементарных вихрей позволяет им переходить с одной окружности на другую (переходя на внутреннюю окружность на переднем фронте и возвращаясь на внешнюю на заднем фронте. Холмик же над водой сформирован из одних и тех же элементарных вихрей. А добровольная пляска с орбиты на орбиту неизбежно сопровождается потерями энергии. Поэтому и солитон Джона Скотта Рассела постепенно исчез в изгибах Эдинбургского канала, а цунами через тысячи км превращается в детскую пукалку.

Интересная проблема возникает в случае когда более мощный солитон догоняет своего младшего брата.

Рисунок 3

У старшего брата при встрече исчезает свободная вода. «Подушку» для включения её в свой состав он обнаружить не может. Поэтому уже его внешние слои на вершине не могут обмениваться местами с внутренними слоями, а слой за слоем переходят к младшему брату. Нижняя же его часть твёрдым телом катится по дну. У переднего же солитона вверху появляются дополнительные слои элементарных вихрей, а низ ведёт себя как обычно, создавая вторую половинку полуокружности для полученной от заднего солитона половинки. Между солитонами возникнет разделение функций: передний солитон включает «подушку» в свой состав, задний же солитон с ней расстаётся. В результате задний солитон усохнет до размера бывшего переднего. А передний, ставший большим братом, обокрав задний солитон, удерёт вперёд, не заботясь о судьбе заднего.