Стовп Тейлора або Колона Тейлора це явище гідродинаміки, яке виникає внаслідок дії сили Коріоліса. Воно назване на честь британського фізика Джеффрі Інгрема Тейлора. У рідині, що обертається, збурення, спричинене твердим тілом, призводить до формування стовпчастих структур, орієнтованих паралельно осі обертання. Ці структури називають колонами Тейлора.

Тіло, що рухається вздовж осі обертання в рідині, яка обертається, зазнає більшої сили опору, ніж у нерухомій рідині. Наприклад, легка плавуча кулька (така як кулька для настільного тенісу) підніматиметься до поверхні повільніше, ніж у рідині, що не обертається. Це пояснюється тим, що рідина, витіснена кулькою зі свого шляху, під дією сили Коріоліса прагне повернутися до місця, звідки її було зміщено. Чим вища кутова швидкість обертання, тим меншим є радіус інерційного кола, по якому рухаються елементи рідини.

У нерухомій рідині частинки, що розташовані над кулькою, легко зміщуються вбік, а рідина змикається під нею, створюючи порівняно невеликий опір її руху. Натомість у рідині, що обертається, кулька змушена переміщувати вгору цілу колону рідини над собою та одночасно тягнути за собою колону рідини, що розташована під нею, щоб досягти поверхні.

Таким чином, рідина, що обертається, виявляє певний ступінь ефективної жорсткості.

Історія Колони Тейлора вперше спостерігав Вільям Томсон (лорд Кельвін) у 1868 роціJames Thomson (Lord Kelvin's brother) (1868) Letter to William Thomson (30 September). Glasgow University Library, MS Kelvin T120.. Це явище було продемонстроване під час лекційних дослідів лорда Кельвіна у 1881 роціThomson, W. (1882) "Elasticity viewed as possibly a mode of motion," Proceedings of the Royal Institution, vol. 9, pages 520–521; also in: Popular Lectures and Addresses, vol. 1, pages 142–146. See also: Thomson, W. (1887) "On the stability of steady and of periodic fluid motion," Philosophical Magazine, vol. 23, pages 459–464. Also in: Mathematical and Physical Papers (Cambridge, England: Cambridge University Press, 1910), vol. 4, pp. 166-172. та Джона Перрі у 1890 роціPerry, J. Spinning tops. The “Operatives’ lecture” of the British Association meeting at Leeds, 6th September, 1890. (London: Society for Promoting Christian Knowledge, 1910).. Теоретичне пояснення ґрунтується на теоремі Тейлора—Праудмена, а саме явище досліджували, зокрема, ТейлорTaylor, G.I. (1922) "The motion of a sphere in a rotating liquid," Proceedings of the Royal Society of London A, vol. 102, pages 180–189., ГрейсGrace, S.F. (1922) "Free motion of a sphere in a rotating liquid parallel to the axis of rotation," Proceedings of the Royal Society of London A, vol. 102, pages 89–111., СтюартсонStewartson, K. (1952) "On the slow motion of a sphere along the axis of a rotating fluid," Proceedings of the Cambridge Philosophical Society, vol. 48, pages 168–177. і МаксвортіMaxworthy, T. (1968) "The observed motion of a sphere through a short, rotating cylinder of fluid," Journal of Fluid Mechanics, vol. 31, pages 643–655. See also: Maxworthy, T. (1970) "The flow created by a sphere moving along the axis of a rotating, slightly-viscous fluid," Journal of Fluid Mechanics, vol. 40, pages 453–479..

Теорія Колони Тейлора були предметом ґрунтовних теоретичних досліджень. Для випадку Re ≪ 1, Ek ≪ 1, Ro ≪ 1, де Re — число Рейнольдса, Ek — число Екмана, а Ro — число Россбі, для циліндра радіуса a отримано таке рівняння сили опору:

Для виведення цього співвідношення Мур і Саффман розв'язали лінеаризоване рівняння Нав'є—Стокса в циліндричних координатах, припускаючи, що деякі вертикальні та радіальні складові в'язкісного члена є малими порівняно з членом, зумовленим силою Коріоліса:

Для розв'язання цієї системи рівнянь також враховують умову збереження об'єму (рівняння нерозривності):

Для цієї геометрії використовують умову сумісності Екмана (Ekman compatibility relation), яка обмежує вигляд поля швидкості на поверхні диска:

Отримані поля швидкостей можуть бути виражені через функції Бесселя.

При цьому, для Ek ≪ 1 функція A(k) задається виразом

Інтегруючи рівняння для швидкості v, можна визначити розподіл тиску, а відтак і силу опору, яка задається першим із наведених рівнянь.

Геофізичний приклад Стовпи Тейлора формуються над підводними вершинами південної дуги Скоша у Південному океані. Вони впливають на циркуляцію та перемішування вод у зоні злиття морів Ведделла й Скотія (Weddell–Scotia Confluence), де Антарктична циркумполярна течія (Antarctic Circumpolar Current, ACC) взаємодіє із субполярним кругообігом моря Ведделла (Weddell Gyre)Meredith, M. P., A. S. Meijers, A. C. Naveira Garabato, P. J. Brown, H. J. Venables, E. P. Abrahamsen, L. Jullion, and M.-J. Messias (2015), Circulation, retention, and mixing of waters within the Weddell-Scotia Confluence, Southern Ocean: The role of stratified Taylor columns, J. Geophys. Res. Oceans, 120, 547–562, doi:10.1002/2014JC010462..

Айсберг A23a, діаметр якого становить приблизно 50 км, відколовся від узбережжя Антарктиди у 1986 році. Починаючи з липня 2021 року він дрейфував уздовж Антарктичного півострова, а у квітні 2024 року був захоплений одним із стовпів Тейлора в Антарктичній циркумполярній течії над підводною Pirie BankWorld's biggest iceberg spins in ocean trap, BBC News, 4 August 2024.

Примітки

Додаткова література

Зовнішні посилання Taylor columns (Martha Buckley, MIT) Record Player Fluid Dynamics: A Taylor Column Experiment (UCLA Spin Lab)