Фантастические формы жидкости: лучшее из конкурса Отдела физики жидкостей Американского физического общества
Вы когда-нибудь задумывались, какие удивительные и красивые явления скрываются за понятием физики жидкостей? Эта наука изучает течение жидкостей, а также их взаимодействие с твердыми телами, теплом и звуком. Физика жидкостей имеет множество практических приложений в разных областях, от аэродинамики и гидродинамики до метеорологии и биологии. Но кроме того, физика жидкостей может поражать нас своей красотой и эстетикой, которые можно увидеть на фотографиях и видео, сделанных учеными и художниками. Сегодня хочу поделиться с вами некоторыми из этих произведений искусства, которые были представлены на конкурсе проводимом Отделом физики жидкостей Американского физического общества, который проходил в ноябре этого года в Вашингтоне. На этом конкурсе было отобрано 12 лучших изображений и видео в четырех категориях, и я хочу показать вам некоторые из них и рассказать о них подробнее.
Капля Медузы
Начнем с изображения, которое получило название «Капля Медузы». Это изображение было создано с помощью численных моделирований, которые показывают, что происходит с маленькой жидкой каплей в невесомости, если ее возбудить колебаниями. Колебания имеют высокую амплитуду и регулярную частоту 1040 Герц, что вызывает хаотические, нелинейные волны на поверхности капли. Эти волны суммируются и создают эффект струй и кратеров, когда капля разрывается на мелкие капельки. Авторы этого изображения сравнивают его с волосами Медузы, греческой богини, которая обращала людей в камень своим взглядом. Действительно, на этом изображении можно увидеть нечто похожее на змеиные пряди, которые тянутся от центра капли.
Жидкое кружево
Перейдем к другому материалу, который называется «Жидкое кружево». На нем демонстрируется процесс 3D-печати полимеров, которые наматываются на основу. Однако в этом случае скорость печати и количество материала были слишком малы, и вместо того, чтобы получить сплошную структуру, получился узор из полимерных нитей, которые образуют промежутки между собой. Эти промежутки напоминают собой кружево, и они могут контролироваться высотой слоя и скоростью печати, которые влияют на плотность конечной структуры. Команда из Принстонского университета записала видео, на котором можно увидеть, как образуется жидкое кружево, наслаждаясь сонатой для скрипки № 2 ля минор Баха.
Гидроэластичность
Третье изображение, которое мы хотим показать вам, носит название «Гидроэластичность». Это изображение иллюстрирует взаимодействие между гидродинамикой и упругостью, то есть между движением жидкости и деформацией твердого тела. На этом изображении можно увидеть, что происходит, когда объект падает на водную поверхность с достаточной скоростью. В этом случае вокруг объекта под поверхностью воды образуется воздушная полость, которая обычно имеет гладкие стенки. Однако если объект имеет определенную форму и жесткость, то он может вызвать колебания в воздушной полости, которые проявляются в виде волн или изгибов вдоль стенок полости. Это явление может иметь практическое значение для дайверов или инженерных морских и аэрокосмических конструкций, которые подвергаются воздействию жидкостей.
Динамика распространения инея
И наконец, четвертое изображение, которое мы хотим вам показать, называется «Динамика распространения инея». Это изображение было сделано с помощью инфракрасной камеры, которая позволяет увидеть тепловые процессы, происходящие на поверхности. На этом изображении можно увидеть, как образуются и замерзают водяные капли, когда влажный воздух встречается с холодной поверхностью. Эти капли называются «фигурами дыхания», и они имеют интересную структуру. Капли сливаются в более крупные капли, а в пустотах между ними появляются новые, меньшие капли. Когда поверхность резко охлаждается, капли замерзают и выделяют скрытое тепло, которое видно на инфракрасном изображении. Капли замерзают снизу вверх, и иней распространяется по ним, замораживая отдельные капли и соединяя их ледяными мостиками. В результате получается красивый узор из замерзших капель с острыми вершинами. На видео можно увидеть, как происходит этот процесс.
Эти явления имеют не только научный интерес, но и вдохновляют художников и творцов на создание новых произведений искусства. Они также показывают, как современные технологии, такие как 3D-печать, инфракрасная съемка, численное моделирование