Ученые нашли способ «упорядочить хаос»: как турбулентность рождает структуры
Взгляните на бурный поток реки, на клубы дыма, поднимающиеся от костра, или на пенящийся след за катером. Все это примеры турбулентности — явления, которое, несмотря на свою повсеместность, до сих пор остается одной из величайших загадок физики.
![](https://img.ixbt.site/live/images/original/31/86/97/2024/03/21/3ba06e6126.jpg?w=877)
Хаотичное, непредсказуемое движение жидкости или газа, казалось бы, не поддается никаким закономерностям. Однако, группа ученых из Чикагского университета, Эйндховенского технологического университета и Французского национального центра научных исследований сделала удивительное открытие: при определенных условиях из турбулентного хаоса могут спонтанно возникать упорядоченные структуры.
![](https://img.ixbt.site/live/images/original/31/86/97/2024/03/21/454f405d3c.gif?w=877)
Ключом к этому феномену является «нечетная вязкость» — свойство, которое изменяет характер движения частиц жидкости, не рассеивая при этом энергию. Представьте себе обычную вязкость, как силу трения, которая замедляет движение и превращает его в тепло. Нечетная же вязкость ведет себя иначе: она «закручивает» движение частиц, не отбирая у них энергию.
В своей работе ученые смоделировали поведение жидкости с нечетной вязкостью, заставив все ее частицы вращаться как волчки. Затем, варьируя параметры модели, они обнаружили нечто необычное: при определенных условиях хаотичное вихревое движение сменялось упорядоченными структурами.
«Секрет в том, чтобы создать смешанный каскад, где большие вихри стремятся разделяться, а малые — сливаться», — объясняет Мишель Фрушар, один из авторов исследования. «Если удается добиться правильного баланса, возникают узоры».
Хотя искусственно создать жидкость с нечетной вязкостью довольно сложно, в природе существуют явления, где это свойство может проявляться. Например, подобное поведение демонстрируют электроны или многоатомные газы в магнитном поле. Ученые полагают, что нечетная вязкость может играть роль в формировании структур в солнечной короне и солнечном ветре, а также в атмосферных потоках и плазме.
Открытие возможности «упорядочивания хаоса» в турбулентных потоках имеет огромный потенциал. Понимание механизмов возникновения структур из вихревого движения может помочь нам создать более эффективные самолеты, двигатели и ветряные турбины, а также лучше прогнозировать поведение атмосферы и космической плазмы.
«Мы только в начале пути», — говорит профессор Винченцо Вителли, один из руководителей исследования, — «но меня завораживает идея, что можно взять турбулентное состояние, которое является воплощением хаоса, и использовать его для создания узоров. Это фундаментальное изменение, достигаемое лишь небольшим «подкручиванием» на самом малом масштабе».
Исследование ученых открывает новую главу в изучении турбулентности. Возможно, в будущем мы научимся не только понимать, но и управлять этим загадочным явлением, превращая хаос в источник порядка и эффективности.
1 комментарий
Добавить комментарий
Добавить комментарий