Недавнее исследование показывает, что «нечетная вязкость», уникальное свойство, при котором частицы жидкости вращаются равномерно, может вызывать появление регулярных закономерностей в хаотическом движении турбулентных жидкостей, таких как те, которые наблюдаются в падающей реке или в потоке реактивного двигателя. Это открытие подчеркивает потенциал контроля турбулентности и имеет значение для таких природных явлений, как солнечная корона и солнечный ветер. Фото: SciTechDaily.com
Физики продемонстрировали возникновение закономерностей хаоса в турбулентных жидкостях.
Турбулентное движение падающей реки или истечение реактивного двигателя хаотично: то есть не содержит явной закономерности.
Но согласно новому исследованию, регулярные закономерности могут возникать в результате турбулентного движения жидкостей. Что вам нужно, так это интригующее свойство, называемое «нечетной вязкостью», которое возникает при определенных условиях, например, когда все частицы в жидкости вращаются в одном направлении. Хотя это специфическое обстоятельство, в природе существует множество контекстов, где может существовать версия этого эффекта, например, в солнечной короне и солнечном ветре.
«Этот удивительный эффект может стать дополнением к растущему набору инструментов для контроля и формирования турбулентности», — сказал Мишель Фрюшар, бывший научный сотрудник Калифорнийского университета в Чикаго, а ныне преподаватель Французского национального центра научных исследований (CNRS) и один из первых авторов статьи. описывая полученные результаты.
Исследование, сотрудничество между Чикагский университетЭйндховенского технологического университета в Нидерландах и CNRS, была опубликована в журнале Природа.
Хаотичная природа
Несмотря на то, как много мы узнали о классической физике за последние столетия, есть одна проблема, которая до сих пор не поддается полному объяснению: явление, известное как турбулентность. Хотя турбулентность возникает вокруг нас каждый день — от облаков, клубящихся в атмосфере над головой, до самой крови, текущей по нашим сосудам, — она до сих пор не так хорошо изучена, как другие обычные физические явления.
«Турбулентность может быть обычным явлением в природе, но она до сих пор понятна лишь частично», — сказал Ксандер де Вит, соавтор публикации и доктор философии. студент Технологического университета Эйндховена.
И это несмотря на то, что если бы мы могли понять и контролировать турбулентность, мы могли бы добиться многих прорывов; возможно, мы могли бы разработать, например, более эффективные крылья самолетов, двигатели и ветряные турбины.
Однако есть кое-что, что ученые знают о турбулентности. Если встряхнуть бутылку с водой, вы увидите, как образуются водовороты. Их размер начинается примерно с длину бутылки; затем вихри разделяются на более мелкие вихри, а затем снова на более мелкие вихри и так далее, пока вихри не рассеются. Это известно как каскад. Но если вы сделаете то же самое, но ограничите воду тонким слоем, водовороты вместо этого сольются, образовав один большой вихрь — Большое Красное Пятно на ЮпитерПоверхность Земли является примером этого явления, сказал Фрюшар.
Группа ученых задалась вопросом, возможно ли создавать и удерживать вихри среднего размера – ни один большой вихрь, ни все меньшие и меньшие.
Ответ — да, если ваша жидкость обладает свойством, известным под термином «нечетная вязкость».
Вязкость обычно означает меру того, насколько трудно размешать — например, банку с медом перемешать труднее, чем банку с водой. При нормальной вязкости движение рассеивает энергию, которую вы вложили в него, помешивая ложкой. Но «необычная вязкость» меняет способ движения объектов, но не делает рассеивать энергию. Его видели в некоторых редких условиях в лаборатории.
Исследователи создали симуляцию, в которой частицы проявляли «странную вязкость» — в данном случае, заставляя все частицы жидкости вращаться как волчки. Затем, изменив параметры, например, скорость вращения частиц, исследователи обнаружили сюрприз. В определенный момент они начали видеть закономерности вместо случайных водоворотов.
«Мы обнаружили, что хитрость заключается в том, чтобы создать смешанный каскад, в котором большие водовороты имеют тенденцию разделяться, а маленькие водовороты имеют тенденцию сливаться», — сказал Фрухарт. «Если вы правильно добились баланса, вы увидите, как формируются закономерности».
«Когда мы впервые увидели эти эффекты, мы не до конца понимали, на что смотрим, но даже невооруженным глазом можно было заметить что-то другое», — сказал соавтор исследования, доктор философии из Чикагского университета. студентка Тали Хаин. «Нам пришлось разработать теорию, чтобы объяснить это, и это было действительно интересно».
Хотя не все частицы в жидкостях вращаются как волчки, в природе есть примеры. Например, так ведут себя электроны или многоатомные газы в магнитном поле.
«Помимо Солнца и солнечного ветра, существуют различные контексты, в которых может существовать версия этого эффекта, включая атмосферные потоки, плазму и активное вещество», — сказал профессор Чикагского университета Винченцо Вителли, один из старших авторов статьи.
По мере того, как ученые работают над более полным пониманием своих результатов, они надеются, что это приведет к лучшему пониманию взаимодействия между вихрями и волнами в турбулентных потоках.
«Мы только в самом начале, — сказал Вителли, — но меня завораживает идея, что можно взять турбулентное состояние, являющееся воплощением хаоса, и использовать его для создания закономерностей — это глубокое изменение, произведенное всего лишь одним человеком. повернуть в наименьшем масштабе».
Ссылка: «Формирование паттернов турбулентными каскадами», Ксандер М. де Вит, Мишель Фрюшар, Тали Хаин, Федерико Тоски и Винченцо Вителли, 20 марта 2024 г., Природа.
DOI: 10.1038/s41586-024-07074-z