Коротко

• Турбулентність — це хаотичний, невпорядкований рух рідини чи газу з вихорами різних розмірів, коли інерційні сили переважають в’язкі.
• Перехід від спокійного (ламінарного) до турбулентного потоку визначає число Рейнольдса: для труб воно зазвичай перевищує приблизно 2300–4000.
• В атмосфері турбулентність виникає через зсув вітру, гори, конвекцію та струменеві течії; найпідступніша — турбулентність ясного неба.
• Для літаків це відчутна «бовтанка», але сучасні конструкції витримують навіть сильні поштовхи без пошкоджень.
• Інтенсивність оцінюють як легку, помірну, сильну чи екстремальну; більшість пасажирів стикаються лише з першими двома.
• Передбачити всі випадки неможливо, але ремені безпеки та професійна підготовка екіпажу суттєво знижують ризики.

Турбулентність — це режим течії рідини чи газу, у якому швидкість і тиск у кожній точці хаотично змінюються в часі та просторі. Замість рівних шарів, що ковзають один по одному, з’являються вихори, закручені струмені та різкі коливання. Саме так поводиться вода в швидкій гірській річці, дим від сигарети на відстані від фільтра чи повітря навколо літака, коли його починає трясти.

У фізиці це один із найскладніших і досі не до кінця розгаданих явищ. Річард Фейнман якось назвав турбулентність найважливішою нерозв’язаною проблемою класичної фізики. Водночас ми стикаємося з нею щодня: від перемішування кави ложкою до польотів на висоті 10–12 кілометрів. Розберемо, як вона влаштована, чому з’являється і що з цим робити, особливо в авіації.

Наукове визначення і ключовий параметр

У гідродинаміці турбулентний потік характеризується трьома основними рисами: нерегулярністю, дифузією (швидким перемішуванням) і дисипацією енергії. Великі вихори передають енергію меншим, ті — ще меншим, аж поки в’язкість не перетворює її на тепло. Цей каскад описував ще Льюїс Фрай Річардсон у 1920-х роках словами: «Великі вихри мають маленькі вихри, що живляться їхньою швидкістю…».

Головний критерій, який показує, буде потік спокійним чи бурхливим, — безрозмірне число Рейнольдса. Воно дорівнює відношенню інерційних сил до сил в’язкості:

Re = ρ · u · L / μ

де ρ — густина, u — характерна швидкість, L — характерний розмір (діаметр труби, розмах крила тощо), μ — динамічна в’язкість. Для течії в круглій трубі ламінарний режим зазвичай тримається при Re менше приблизно 2300. У перехідній зоні (2300–4000) потік може «стрибати» туди-сюди. Понад 4000 майже завжди стає турбулентним. Ці межі не абсолютні: якщо вхід у трубу дуже гладкий і немає збурень, ламінарність іноді зберігається навіть при значно вищих значеннях.

У практиці я помічав, як у вузькому садовому шлангу при слабкому напорі вода тече рівно, а варто відкрити кран сильніше — струмінь одразу розбивається на хаотичні бризки. Це і є перехід через критичне число Рейнольдса.

Ламінарний і турбулентний режими: у чому різниця

У ламінарному потоці частинки рухаються паралельними шарами. Швидкість змінюється плавно від стінок до центру. Перемішування мінімальне, опір тертя відносно низький. Такий режим зустрічається в дуже в’язких рідинах, у тонких капілярах або при малих швидкостях.

Турбулентний потік — протилежність. Частинки хаотично перескакують між шарами, утворюючи вихори різного масштабу. Через це:

• зростає ефективна в’язкість і теплообмін;
• збільшується опір тертя (тому труби для нафти чи газу проектують з урахуванням турбулентності);
• покращується перемішування (корисно в хімічних реакторах і двигунах).

Цікавий нюанс: іноді турбулентність навіть знижує загальний опір. Класичний приклад — ямочки на поверхні гольф-м’яча. Вони провокують ранній перехід до турбулентності в прикордонному шарі, відсувають точку відриву потоку і зменшують зону розрідження позаду м’яча. М’яч летить далі.

Турбулентність в атмосфері: чому трясе літак

Повітря — теж рідина (газ із дуже малою в’язкістю). На висотах крейсерського польоту число Рейнольдса для літака величезне, тому майже будь-яке збурення швидко переростає в турбулентність. Найчастіше пасажири відчувають її з трьох причин.

Механічна та орографічна турбулентність

Коли вітер обтікає гори, будівлі чи навіть лісовий масив, за перешкодою утворюються вихори. Особливо сильні — гірські хвилі. Стабільне повітря, що перетікає через хребет, коливається вниз за вітром, іноді на сотні кілометрів. Під хвилями можуть виникати ротори — потужні закручені структури, небезпечні для легких літаків.

Конвективна (термічна) турбулентність

У теплий день земля нагрівається нерівномірно. Темні поля, асфальт, скелі віддають тепло швидше. Піднімаються «терміки» — стовпи теплого повітря. Холодніше повітря опускається. Літак, що потрапляє в такий стовп, різко підкидає або провалюється. Найсильніше це відчувається влітку вдень на малих і середніх висотах, особливо під купчастими хмарами.

Турбулентність ясного неба (Clear Air Turbulence)

Найпідступніша. Немає хмар, радар нічого не показує, а літак раптом починає трясти. Головна причина — зсув вітру біля струменевих течій. Це вузькі «річки» швидкого повітря на висоті 9–15 км. Швидкість у ядрі може відрізнятися від навколишнього повітря на 100–150 км/год і більше. На краях струменя виникають зони сильного зсуву, які породжують вихори.

За даними досліджень останніх десятиліть, частота помірної та сильної турбулентності ясного неба в деяких регіонах (Північна Атлантика, наприклад) помітно зросла. Пов’язують це зі зміною інтенсивності струменевих течій через потепління.

Інтенсивність і що відчуває пасажир

Пілоти та диспетчери користуються чотирма градаціями:

Більшість людей за все життя польотів ніколи не стикаються з чимось сильнішим за помірну. Сильна трапляється значно рідше, а екстремальна — винятково. Сучасні пасажирські літаки розраховані з величезним запасом міцності. Крило Boeing 787, наприклад, під час сертифікаційних випробувань згинали доти, доки воно не зламалося — навантаження значно перевищувало будь-яку реальну турбулентність.

За спостереженнями колег-пілотів і власним досвідом перельотів, найнеприємніше — саме раптовість. Коли ремінь відстебнутий, а бортпровідники роздають їжу, навіть помірний поштовх може закінчитися синцем. Тому правило «пристебнутися і сидіти» працює краще за будь-які прогнози.

Як екіпаж і наземні служби намагаються її обійти

Пілоти отримують SIGMET і AIRMET — спеціальні повідомлення про небезпечні явища. Використовують бортовий радар (він бачить лише вологу конвекцію), звіти інших екіпажів і моделі прогнозу. Для турбулентності ясного неба моделі стають дедалі точнішими, але повністю передбачити її досі важко.

Якщо зона відома заздалегідь, маршрут змінюють на кілька десятків миль убік або змінюють ешелон. Іноді допомагає зменшити швидкість до рекомендованої для турбулентності — це зменшує навантаження на конструкцію.

На землі диспетчери розносять літаки по висоті й горизонталі, щоб уникнути слідової турбулентності від важких машин. Вихри за великим Airbus чи Boeing можуть бути небезпечними для наступного легкого літака ще кілька хвилин.

Що робити пасажиру

Найпростіше і найдієвіше — тримати ремінь пристебнутим протягом усього польоту, навіть коли табло погасло. Не ставити важкі речі на полицю над головою так, щоб вони могли випасти. Якщо відчуваєте, що починає трясти, одразу сядьте і пристебніться. Дітям і тим, хто боїться, краще зайняти місце біля крила — там амплітуда коливань менша.

Алкоголь і кава перед можливими «ямками» не найкращі союзники: вони посилюють відчуття дискомфорту. Краще вода і спокійна розмова або музика.

Турбулентність — природна частина польоту, як хвилі для корабля. Вона рідко стає причиною серйозних інцидентів саме через те, що літаки і екіпажі до неї готові. Розуміння механізму знімає зайвий страх і дозволяє просто переживати кілька хвилин тряски, знаючи, що все під контролем.

Якщо летите вперше або особливо хвилюєтеся — оберіть місце ближче до центру фюзеляжу, тримайте ремінь застебнутим і пам’ятайте: те, що здається вам сильним поштовхом, для конструкції літака — звичайне робоче навантаження. А після посадки можна буде з посмішкою згадати, як «покаталися на американських гірках» на висоті десяти кілометрів.