3sp. Чак Стэнион, доктор Дуэйн Данн. Воздушный поток в трубках Peterson System (с небольшими сокращениями)
В физике и технике гидродинамика - это область, которая описывает и измеряет потоки жидкостей, включая воздух и другие газы, при их движении в различных средах. Одной из таких сред является среда внутри табачной трубки. Для правильной работы трубки воздух должен эффективно перемещаться из чаши и выходить из мундштука.
Доктор Дуэйн Данн разбирается в этой области, потому что потратил годы на получение степени доктора философии в области машиностроения и еще больше лет на применение своих знаний. Дуэйн составил карту воздушного потока через трубки Peterson, чтобы увидеть, что именно происходит и насколько хорошо трубки System работают с точки зрения прохождения воздушного потока. Особенно удивительно то, насколько хорошо Чарльз Петерсон разработал Систему более ста лет назад и без тех преимуществ, которые мы имеем сегодня. Рассмотренные в свете современной науки, трубки Петерсона являются анахронизмом, с превосходными свойствами потока и сложным дизайном, опережающим свое время.
"Изначально я сделал это просто для того, чтобы изучить, как работает Peterson System. Теперь я провел целую серию анализов, включая такие вещи, как глубина чаши". Дуэйн также принял во внимание такой элемент системы Peterson System, как зазор мундштука, который сохраняет плотное прилегание даже после многолетнего износа. "По мере износа сочленения, очевидно, что теноны и врезные отверстия меняют свое взаимное расположение, поэтому я рассмотрел множество этих переменных. Я изучил систему Deluxe System с удлинителем на конце тенона, а также ее поперечные вентиляционные отверстия, и я изучил поток воздуха в полости рта".
Удлинители или «конденсаторы»
Для тех, кто не знает, удлинитель дымового канала в Peterson System ввинчивается в конец тенона и первоначально был сделан из кости, а в его боках были просверлены вентиляционные отверстия. По словам эксперта по изделиям компании Peterson Марка Ирвина на его сайте PetersonPipeNotes.org, он с самого начала был частью конструкций Peterson System и был показан в оригинальном каталоге 1896 года. "Верхний ярус трубок System, - пишет Марк, - имел воронкообразное, ввинчивающееся костяное удлинение, которое вырезалось в соответствии с размером мундштука, чаши и врезки. Размер зависел от размера чаши. Кость использовалась примерно до 1963 года, по словам отставных мастеров Peterson, после чего фабрика перешла на алюминий".
Назначение удлинителя "состоит в том, чтобы способствовать конденсации водяного пара в дыме трубки и заставлять конденсат падать в резервуар. Это сушит и охлаждает дым, а также предотвращает попадание твердого материала (пепла или табака) в каналы мундштука".
Многие курильщики Peterson на протяжении многих лет отказываются от этих съемных удлинителей, в основном потому, что те становятся грязными, если за ними не ухаживать. Тем не менее, они являются частью системы и вносят свой вклад в характер курения системы Peterson. Однако анализ воздушного потока, проведенный Дуэйном Данном с помощью удлинителя, показал, что при его использовании поток воздуха превосходен. "Все негативные моменты, которые я видел в анализах, - говорит он, - были устранены с помощью этой детали. В Deluxe, имеющей удлинитель, воздушный поток немного чище ".
Сбор доказательств
"Я не моделировал дым в явном виде", - говорит Дуэйн. "Я моделировал воздух и, насколько это возможно, свойства дыма. Но чтобы проанализировать дым в явном виде, да, я бы все равно запустил первый набор симуляций, потому что он чрезвычайно сложен. Химические реакции огромны, и нужно учесть их все, чтобы все получилось правильно, поэтому я решил упростить задачу и вместо этого использовать воздух с влажностью около 50%, так что влага есть, и она учитывается. Но маленькие частицы, масла, ароматические соединения и прочее, что обеспечивает аромат, я решил пренебречь всем этим, потому что, получить математическую модель будет очень, очень сложно. И потом, аромат меняется от табака к табаку и от чаши трубки к чаше трубки. Если вы набиваете немного больше или немного меньше, если день немного более влажный, все эти вещи меняются, поэтому я решил просто исключить эти переменные и рассматривать все, используя установленный стандарт, и для этого я выбрал влажный воздух".
Помимо влажности, плотность дыма меняется в зависимости от температуры. "Так, при изменении температуры дыма меняется и его плотность. Некоторые анализы показали, что плотность меняется по всей трубке от начала до конца".
Он смоделировал уголь, который он называет "вишней", как постоянный источник горения внутри чаши. "Я установил температуру 500℃, что является низким показателем, когда вы смотрите на температуру горения табака, потому что она может достигать более 1000℃, но мы не хотим, чтобы она была настолько горячей, потому что мы теряем много аромата. Поэтому я выбрал более низкое значение - около 500℃, и вы можете видеть, как меняется температура при движении воздуха через трубку. Он нагревается через «вишню», а затем, соприкасаясь с бриаром, медленно, но верно охлаждается, и по мере охлаждения его плотность меняется в зависимости от температуры.
"Когда воздух проходит через табак, очевидно, что если табак более влажный, чем воздух, то воздух забирает часть влаги, но изменение характеристик воздуха не настолько резкое, чтобы вызвать заметную разницу от затяжки к затяжке. Это может быть заметно от трубки к трубке, поэтому необходимо определить уровень влажности табака для каждой трубки, которая у вас есть. Некоторые трубки любят более сухой табак, другие - более влажный. Но как только вы набьете трубку, влажность должна быть относительно постоянной, а воздух будет набирать или терять влажность в зависимости от состояния табака и окружающего воздуха".
Уровень влажности табака имеет важное значение. "Когда вы сушите табак, - говорит Дуэйн, - вы изменяете температуру горения. Чем суше табак, тем жарче он горит, чем более влажный табак, тем труднее ему гореть, и тем сильнее вам придется затягиваться, чтобы поддерживать процесс. Вам придется постоянно разжигать уголь, а это в конечном итоге приведет к хаосу. Теперь вы будете втягивать пар, а если у вас есть точки конденсации, то конденсата будет больше, и дым будет более влажным, что не идеально. Но именно здесь необходим баланс, потому что многие ароматы содержатся во влаге. Поэтому, если дым слишком сухой, вы потеряете большую часть аромата. Вам нужно найти подходящий баланс, и как только вы узнаете, что это за баланс - а он меняется от табака к табаку и от трубки к трубке, по крайней мере, по моему опыту - некоторые табаки нужно сушить больше, если вы курите их в трубке другого типа; форма чаши тоже играет в этом немалую роль".
При большем размере чаши образуется большее пламя и больше тепла для следующего слоя табака, но также становится доступным больше аромата. "Сама «вишня» карбонизирует некоторые ароматические компоненты табака. Таким образом, вы улавливаете ароматические характеристики немного ниже, не обязательно в самой «вишне», поэтому, когда вы доходите до дна чаши, все это уже испарилось, и на дне остается очень мало аромата. Причина этого в том, что вы высушиваете эти летучие ароматические вещества".
Дуэйн измерил скорость, с которой дым проходит через различные части трубки System, и обнаружил, что скорость уменьшается по мере того, как он достигает ствола, обозначенного на его диаграммах темно-синим цветом. "Когда дым попадает в трубку System в районе резервуара, первое, что он должен сделать, это обогнуть теноновую часть, затем спуститься вниз к колодцу, изменить направление, а затем втянуться обратно. В инженерных терминах это называется ловушкой импульса. Любые частицы, которые есть в воздухе, любые частицы дыма, несгоревшего табака или капли влаги, как только они достигают стержня и замедляются, у них не хватает энергии для дальнейшего втягивания в стержень, и они оседают в резервуаре системы".
"...В инженерных терминах это называется "ловушкой импульса".
Дуэйн говорит, что это то же самое, как пылесос задерживает пыль. "Это похожая концепция. Замедляя поток воздуха, вы уменьшаете силу сопротивления на частицах, что снижает вероятность их втягивания в стебель". Другой способ взглянуть на это - конечная скорость. Если вы выпрыгиваете из самолета, вы летите быстро и быстро, вы открываете парашют и начинаете замедляться. Замедление - это то, чего вы хотите от парашюта, но здесь, замедляя воздух, все частицы начинают терять энергию, необходимую для продолжения движения вместе с воздухом, поэтому они выпадают из него. Таким образом, вы получите частицы, которые теперь начнут отделяться и падать вниз. Так что если у вас есть маленькие капельки влаги, они упадут вниз в колодец, любые частицы пепла, все в этом роде".
Этот эффект визуально заметен на самом дымоходе. "Всегда есть небольшое кольцо обесцвечивания, небольшое кольцо грязи, пепла и мелких частиц. Причина этого в том, что воздух настолько замедлился, что эти частицы попадают в ловушку. Очевидно, что дымоход немного охлаждает воздух, что приводит к конденсации влаги и ее прилипанию к поверхности, что служит еще одной ловушкой для частиц, переносимых воздухом. Те частицы, которые не прилипают к дымоходу, замедляются в циркулирующем потоке и затем оседают".
Удлинитель обеспечивает две важные особенности. "Первая - это закругленная форма входного отверстия снаружи. Это позволяет воздуху медленнее входить в вытяжное отверстие, что помогает уменьшить свист. Происходит разделение потока, и без этого на входе образуется небольшая область рециркуляции. Это разделение приводит к образованию конденсата, и именно там начинается любое бульканье, потому что теперь у вас есть эта небольшая рециркуляция. В то время как в системе Deluxe, поскольку она имеет закругленное входное отверстие, вы не увидите образования этой небольшой области рециркуляции, что является преимуществом, поскольку это устраняет бульканье". Все это связано с формой удлинителя.
"Если мы посмотрим на System Standard, то у вас нет закругленного угла, и что происходит - воздух проходит через камеру, создавая область рециркуляции. Благодаря закруглению удлинителя воздух движется более плавно; он поднимается внутрь гораздо плавнее, и у вас нет этой области рециркуляции внутри".
Вторая особенность, которую отмечает Дуэйн, - это внутренняя кривизна камеры (или резервуара) вокруг тенона. "Этот изгиб направляет дым вверх и вокруг, а затем обратно вниз, снова замедляя его, что дает ему больше времени в контакте с бриаром. Более длительный контакт с бриаром означает, что больше влаги вытягивается из дыма и попадает в бриар, при этом происходит более интенсивное изменение температуры в сторону охлаждения. И поскольку дым замедляется дольше, в нем меньше твердых частиц. Это две основные особенности, которые, как я обнаружил, ставят Deluxe на ступень выше Standard, но разница в стоимости между ними вполне оправдана. System Standard - это обычная система; если же вам нужны характеристики класса люкс, то System Deluxe - это лучший способ получить их".
Мундштук P-Lip
Для своих первых исследований Дуэйн не располагал надежными измерениями геометрии человеческого рта, но впоследствии он расширил свой анализ, и оказалось, что градуированное отверстие Peterson и ножка P-Lip прекрасно сочетаются с человеческим ртом. "Судя по результатам анализа, похоже, что P-Lip действительно делает много полезного". Градуированное отверстие помогает ускорить дым, когда он поднимается к губной кнопке. "Причина, по которой он ускоряется, заключается в этом сужении. Вы получаете изменение диаметра, площадь поперечного сечения уменьшается, и это уменьшение ускоряет воздушный поток".
Наибольшая скорость достигается именно во рту в области P-Lip.
"Ускоряя воздух, - говорит Дуэйн, - или ускоряя дым, когда он попадает в рот, он теперь насыщает палитру, рециркулируя по всей полости". Дым более эффективно контактирует с задней частью нёба, распространяется по всем контурам рта и охватывает весь язык". Приведенные им изображения показывают, что распределение дыма является полным. Регулируемая скорость дыма, генерируемого P-Lip, позволяет ему полностью охватить заднюю часть рта и дольше оставаться в контакте с языком. "Очевидно, что в процессе затяжки вы можете делать все, что решите. Я знаю одного парня на YouTube, который говорит: "Вам нужно жевать дым"". Приблизительно повторяя жевательные движения, открывая и закрывая рот, дым еще больше перемещается и распределяет вкус по всем вкусовым рецепторам.
Другой переменной, которую исследовал Дуэйн, был горизонтальный угол наклона мундштука во рту. Его результаты показывают, что центральное положение лучше для распределения вкуса. При зажатии в одну сторону распределение ухудшается. "Ваш ритм также будет меняться. Если вы будете затягиваться чуть сильнее, то и поведение будет другим". Измерения Дуэйна отражают его собственный средний каденс. "Чтобы получить эти значения, я посмотрел на скорость, с которой я рисую, вычислил ее и наложил ее на моделирование. Так что для того, кто делает очень короткие, но плотные затяжки, скорость движения воздуха увеличится, и это изменит распределение. Поэтому нужно использовать комплексный подход. Передняя часть может дать вам лучший вкус, но если вы измените способ затяжки, если вы измените свой ритм, то передняя часть может работать не очень хорошо для вас. Если вы начнете затягиваться очень медленно, затем достигнете пика, а потом замедлите затяжку к концу, чтобы переход был плавным, вы получите другой эффект, чем если бы вы делали короткие, резкие затяжки. Так что все эти вещи сыграют свою роль".
Peterson: Больше, чем сумма частей
Все исследования Дуэйна, все его сотни симуляций начались потому, что ему было интересно узнать о трубах Peterson. "Я хотел посмотреть, что на самом деле делает система, потому что в литературе есть много утверждений, но некоторые из них звучали слишком неправдоподобно. Поэтому я подумал: "Может быть, здесь что-то происходит, чего я не понимаю. Давайте я проведу пару симуляций, посмотрю, что происходит, и, возможно, я смогу понять, что происходит"".
Он обнаружил значительные преимущества, которые, возможно, не смог предугадать даже Чарльз Петерсон. "Во всем этом есть много непреднамеренных преимуществ. В некоторой литературе говорится, что она улучшает то-то и то-то. И да, это так, но это также делает гораздо больше".
В качестве примера Дуэйн приводит градуированное отверстие мундштука P-Lip. "Я думаю, что входное отверстие начинается с 5,5 мм, или что-то вроде этого, а самый кончик P-Lip ближе к полутора миллиметрам. Я сейчас забыл точные размеры, но это градуированное отверстие". Это позволяет ускорить движение воздуха по стволу. Это изменяет конечную скорость частиц, поэтому, когда дым охлаждается и вы начинаете получать ароматические частицы, которые конденсируются в дыме, поскольку дым ускоряется, у вас больше шансов поймать эти частицы и пронести их в рот. Поэтому, изменяя диаметр, вы можете изменить размер частиц, которые вы хотите пропустить через себя".
"Поскольку ножка изогнута, она создает вихрь, поэтому я и говорю, что изгиб ножки очень важен. Когда воздушный поток проходит через изгиб, он приобретает вращение. Создается вихрь. Благодаря этому вихрю, когда дым выходит из трубки и попадает в рот, мы уже имеем это распространение дыма, а не просто тонкую струю с одинаковой ориентацией. Поскольку он вращается, дым распространяется более равномерно. Я думаю, что это непреднамеренное и полезное следствие конического отверстия".
Даже с учетом всех измерений и выводов Дуэйна, он подчеркивает, что личные эксперименты все равно необходимы. "Найдите то, что работает. Если вам не нравится табак, положите его в трубку другого типа. Положите его в чашу другой формы. Положите его в чашу другого размера. Это просто еще один уровень экспериментов". Его эксперименты сделали Дуэйна новообращенным. "Возможно, с этого момента я начну покупать трубки System. Всего три года назад я купил свою первую трубку Peterson. До этого все они были относительно простыми трубками. Ничего вычурного. И мне казалось, что я все знаю назубок. Затем я выкурил трубку System три или четыре раза и подумал: "Нет, это не может быть идеальной трубкой для думающего человека. Что-то здесь не так".
Он вернулся к литературе Peterson. "У них есть документ под названием "Как курить трубку Peterson". Я прочитал его и понял, что курил ее неправильно. Как только я перешел на рекомендации Петерсона, я понял: "Вау, это совершенно другое дело".
После этого прозрения Дуэйн тяготеет к своей трубке System в 90 процентах случаев. Особенно важен совет заправлять язык под выемку кнопки P-Lip, что способствует распределению дыма. "Форма языка во время затяжки также имеет большое значение, в зависимости от того, куда попадает дым. Таким образом, меняя положение ножки во рту, вы меняете зону воздействия на язык. А если вы согнете язык, то это снова изменит ситуацию. Это отражено в моделировании". Он начал с очень упрощенного моделирования плоского языка, главным образом потому, что объем данных, связанных с трехмерной моделью, замедлял компьютерное моделирование. "Только благодаря геометрии рта загрузка файла занимает три минуты по сравнению с 30 секундами без нее, потому что она настолько подробна. Эту геометрию рта я нашел на стоматологическом сайте, где ее использовали для изготовления образцов зубных протезов, брекетов и тому подобных вещей. Так что она очень, очень подробная, и в результате на то, чтобы что-то с ней сделать, уходит очень много времени".
Однако, когда он провел моделирование, стало очевидно, что геометрия рта является решающим фактором. "Это особенно актуально для трубок System и P-Lip, потому что это меняет восприятие дыма. Так что теперь все симуляции занимают довольно много времени из-за этого рта. Но это интересно, так что я не возражаю".
Что особенно интригует, так это то, что Дуэйн начинал как скептик в отношении заявлений о превосходных курительных характеристиках трубок Peterson System. Они курились для него неправильно, пока он не принял советы Петерсона по технике курения. В конечном счете вышло, что System работает. Возможно, она работает не совсем так, как предполагал Чарльз, но она определенно работает. По своей конструкции «система» похожа на то, что вы видите во многих пылесосах в наши дни. У вас есть часть, которая входит в резервуар, есть часть, которая направлена вниз в ловушку, а затем часть, расположенная немного выше, чтобы снова вытягивать воздух. Когда воздух выходит из пылесоса, любые твердые частицы и влага оседают в нижней части ловушки, и вы получаете чистый воздух, который выходит с другой стороны. Поэтому конструкция Петерсона очень распространена в инженерном мире, именно как сажевый фильтр". Как Чарльзу Петерсону удалось создать такую конструкцию, остается загадкой, но он опередил свое время.
Современные расчеты доказали удивительную эффективность системы Петерсона. "На протяжении всей трубки System, - говорит Дуэйн, - вплоть до самого края P-Lip, перед входом в рот, уровень турбулентности такой, что в аэродинамических трубах классифицируется как плавный ламинарный поток. Никакой турбулентности. Так что если у вас турбулентность, вы не дотягиваете. Вы определенно не дотягиваете. Если вы курите нормально, у вас не должно быть турбулентности. Но это не значит, что у вас не будет этих странных звуков в трубке, потому что вы все равно можете получить нарушение потока, но это не турбулентность. Турбулентность - это совсем другое ".
Работа Дуэйна Данна пролила свет на то, как работает Система Петерсона, и продемонстрировала, чего можно достичь, совмещая свое увлечение с отдыхом. Мы знали, что Системы курятся по-другому. Теперь мы лучше понимаем, почему.