Ученые смогли получить «расписание» турбулентности: теперь самолеты смогут летать спокойно
Турбулентность считается случайным явлением, которое плохо поддается описанию. Тем не менее, ученые нашли способ предсказать ее появление
При правильной физике можно с высокой точностью описать движение объектов во всей Солнечной системе. Но размешайте немного молока в своем чае, и лучшее, что могут сделать физики, — это рискнуть угадать, какие узоры вы увидите в напитке.
С точки зрения науки, жидкости — это действительно хаотичные среды, предсказать поведение которых невероятно трудно. Однако новый способ расчета движения жидкостей вскоре может сделать их намного более предсказуемым. Ученые не только могут использовать это для улучшения нашего понимания гидродинамики, но и сделать все, от прогнозов погоды до дизайна транспортных средств, значительно более точными.
Предсказать турбулентность
Физики из Технологического института Джорджии показали, что можно определить моменты, когда турбулентность отражает измеримые закономерности. Другими словами, во всем хаосе поведения жидкостей (и газов) могут появляться моменты, когда процессы внутри среды описываются четкими математическими уравнениями.
Турбулентность сложно предсказать в основном из-за того, как в жидкости образуются небольшие водовороты или вихри. Когда материал течет по прямой линии в плавном потоке, его скорость и траекторию легко предсказать. Если какая-либо струя в потоке станет слабой, возможно, из-за того, что она идет по менее подвижной поверхности, жидкость начнет завихряться.
С каждым новым завихряющимся течением образуется новая поверхность, которая может создавать новые вихри. При этом каждый вихрь ведет себя по прихоти ряда факторов – от давления до вязкости, – быстро превращаясь в бурю в чайной чашке, которую ни один компьютер не может отследить. Тем не менее, в новой работе ученые нашли способ это сделать.
Для этого авторы создали резервуар с прозрачными стенками и жидкостью, содержащей крошечные флуоресцентные частицы. Они двигали жидкость между парой независимо вращающихся цилиндров и отслеживали светящееся содержимое — это было похоже на наблюдение за поездами, проезжающими через станцию в режиме реального времени. Тем не менее, исследователям нужно было сначала составить уравнения и попытаться описать все процессы внутри жидкости.
Для этого требовалось вычислить решения набора уравнений, разработанных почти 200 лет назад. Согласовав эксперимент с математическими результатами, команда смогла определить, когда появились конкретные модели турбулентности, называемые когерентными структурами.
Хотя они регулярно возникают в движущихся жидкостях, время возникновения когерентных структур непредсказуемо. В этой конкретной установке когерентные структуры придерживались квазипериодической схемы, состоящей из двух частот – одна направлена вокруг оси симметрии потока, другая основана на другом наборе сдвигов в окружающем потоке.
Хотя это не совсем простой набор уравнений, который может описать турбулентность во всех ее формах, когерентные структуры могут сделать турбулентность во многом более предсказуемой, чем раньше. Расширяя эту работу, будущие исследования могли бы сделать свои «расписания» турбулентности более динамичными, описывая их более подробно, чем могут предоставить статистические средние.