Ученые Чикагского университета первыми придумали способ создания удерживаемого «шара» турбулентности в резервуаре с водой, чего раньше никто не делал. Выше визуализация показывает среднюю плотность энергии мяча с течением времени.
Предоставлено: Такуми Мацузава

Турбулентность окружает нас повсюду. Он в водовороте кофе и молока в латте, разворачивающемся вдоль крыльев самолетов и бортов автомобилей, взбивающем кровь в вашем сердце после того, как клапан захлопнется. Тем не менее, мы все еще не полностью понимаем все его правила.

Часть проблемы заключается в том, что физики обычно начинают с изоляции явления от окружающей среды, чтобы изучить его, но перемешивание чашки означает, что ложка всегда остается внутри нее, влияя на движение жидкости. Не было способа отделить турбулентность отдельно .

Однако группа ученых из Чикагского университета впервые придумала способ создания удерживаемой турбулентности в резервуаре с водой. Они используют кольцо струй для продувки петель до тех пор, пока не сформируется и не задержится изолированный «шар» турбулентности.

«Это было для нас неожиданностью», — сказал физик Такуми Мацузава, первый автор исследования, описывающего результаты, опубликованные в журнале Nature Physics. «Это все равно, что спокойно сидеть в поле с пикником и наблюдать, как буря бушует в 50 футах от вас», — сказал профессор Уильям Ирвин, автор исследования.

Они надеются, что прорыв откроет новые возможности для лучшего понимания турбулентности.

«Никто не знал, что это вообще возможно»

Турбулентность — хаотическое течение в неравномерно перемешанном веществе — старая проблема. «Этот вопрос часто называют одним из самых больших открытых вопросов в физике», — сказал Ирвин.

В последние десятилетия ученые добились прогресса в описании поведения «идеализированного» состояния турбулентности. То есть турбулентность без мешающих переменных, таких как границы или различия в силе и времени. Но когда дело доходит до понимания турбулентности в реальном мире, многое еще предстоит понять.

Исследователи отслеживают турбулентность с помощью лазеров и высокоскоростных камер.
Предоставлено: Такуми Мацузава

«Турбулентность появляется повсюду вокруг нас, но она продолжает ускользать от того, что физики считают удовлетворительным описанием», — сказал Ирвин. «Например, если вы спросите, могу ли я предсказать, что произойдет дальше, когда я ткну в эту область турбулентности? Ответ — нет. Даже с помощью суперкомпьютера».

Одной из больших проблем было наличие смешанных переменных в экспериментах. Вы можете создать турбулентность, выпуская быструю струю воды через трубу или перемешивая лопасть в резервуаре с водой, но турбулентность всегда касается стенок контейнера и мешалки, что влияет на результаты.

Мацузава, Ирвин и их сотрудники проводили эксперименты с резервуарами с водой, чтобы создать «вихревые кольца» — подобные кольцам дыма, но в воде. Когда они пытались объединить их, чтобы создать турбулентность, энергия обычно отскакивала обратно к ним, прежде чем рассеяться.

Но как только они наткнулись на конкретную конфигурацию — коробку с восемью углами, в каждом из которых находился генератор вихревых колец, — произошло нечто странное.

Когда они неоднократно запускали кольца, которые встречались в центре, они видели как формируется шар турбулентности, что был автономным, вдали от стенок резервуара.

Это само по себе было прорывом: «Никто не знал, что это вообще возможно», — сказал Мацузава, аспирант по физике. «Турбулентность очень хорошо смешивает вещи; если вы подмешиваете молоко в кофе, вы можете сделать только один или два завихрения, прежде чем оно станет полностью смешанным. Тот факт, что мы можем удержать его на месте, очень удивителен».

Мацузава объяснил, что отдельно стоящий шар турбулентности позволяет ученым с помощью лазеров и нескольких быстрых камер гораздо точнее отслеживать его параметры. Это включает его энергию и его спиральность (мера того, насколько запутаны или «запутаны» петли), а также импульс и угловой импульс (жидкий эквивалент импульса и углового момента).

Более того, они могли играть с ним, меняя параметры. Они могли изменить, были ли петли, которые они посылали, спиралями, вращающимися по часовой стрелке или против часовой стрелки. Они могли бы изменить количество поступающей энергии, или прекратить добавлять кольца и наблюдать, как рассеивается турбулентность, или изменять спиральность колец и наблюдать, как турбулентность развивалась с течением времени.

«Как рассеивается турбулентность? Как она расширяется? Что она «помнит»? Как энергия распределяется по масштабам? Существуют ли различные типы турбулентности?», — сказал Ирвин. «Я действительно надеюсь, что это поможет открыть новую игровую площадку в этой области».