Исследователь из Финляндии открыла новый тип атомного ядра

Турбулентность, движение жидкости, характеризующееся хаотическими изменениями скорости потока и давления, была темой бесчисленных физических исследований.

Повторное столкновение восьми вихревых колец образует изолированный сгусток турбулентности. (Слева) Разложение энергии капли на среднюю (желтую) и флуктуирующую (синюю) части иллюстрирует образование ограниченной турбулентности. (Справа) Внутри турбулентного сгустка наблюдаются крайне нерегулярные траектории трассирующих частиц. Фото: Мацузава и др.

Исследователи из Чикагского университета недавно представили новую стратегию для надежного контроля местоположения, положения и свойств турбулентности в экспериментальных условиях. Эта стратегия, представленная в статье, опубликованной в Nature Physics, позволила им создать изолированный турбулентный сгусток в спокойной среде.

«Турбулентность можно найти повсюду. Хорошим примером является перемешивание кофе ложкой», — сказали Phys.org Такуми Мацузава (первый автор исследования) и Уильям Ирвин (автор исследования). «Тем не менее, манипулировать этой эфемерной фазой материи не так просто, как другими обычными фазами материи, такими как твердая и жидкая. Во многих случаях материальные границы, такие как ложка в предыдущем примере, скрывают то, чем питалась турбулентность. Это заставило нас задаться вопросом, возможно ли создать изолированный сгусток турбулентности и удерживать его на месте».

В рамках своего недавнего исследования Ирвин и его коллеги намеревались создать ограниченное состояние турбулентности в спокойной среде, что потребовало бы точного контроля свойств турбулентности. Успешное создание такого изолированного сгустка может открыть новые интересные возможности для исследований, позволяя физикам исследовать вопросы, на которые было трудно ответить с помощью традиционных экспериментальных методов.

«Некоторые из вопросов, которые могут быть изучены после нашего исследования, включают: что происходит на границе раздела турбулентных и нетурбулентных потоков? Как сохраняемые величины, такие как энергия и импульс, передаются через границу раздела? Существуют ли различные типы турбулентности в зависимости от комбинаций сохраняемых величин? — сказали Ирвин и Мацузава.

Многие учебники физики и теоретические работы описывают турбулентность как суп из закрученных движений, известных как «вихри». Хотя уникальные характеристики вихрей остаются довольно неуловимыми, они, по сути, представляют собой движения в жидкости, которые отклоняются от ее общего потока, такие как круговые токи или вихри.

«Предлагаемый нами подход влечет за собой создание турбулентности путем размещения вихрей по одному, как Lego», — объяснил Ирвин. «Никто на самом деле не знает, что такое вихрь, но вихревое кольцо, также известное как дымовое кольцо, является хорошим кандидатом, поскольку оно представляет собой прочную жидкую структуру и может перемещаться далеко от материальных границ. Более того, его свойства могут быть полностью измерены, поэтому мы знаем, что мы подпитываем турбулентностью».

В своих экспериментах Мацузава объединил наборы из восьми вихревых колец в камере, направив их к центру кубического резервуара, заполненного водой. Если бы эти вихревые кольца были запущены как единый набор, они бы разделились и перенаправились из-за эффекта, известного как вихревые пересоединения. Однако их повторное сжигание, как это было выполнено исследователями, приводит к образованию изолированного сгустка турбулентности.

«Наш подход обеспечивает уникальные принципы проектирования для локализации, позиционирования и контроля турбулентности», — сказал Ирвин. «Свойства капли задаются свойствами вихревых колец; размер задается радиусом кольца; Внутренняя интенсивность турбулентности задается энергией, переносимой кольцами. Если мы объединим спиральные петли, мы также сможем ввести другие сохраняющиеся величины, такие как угловой импульс и спиральность, роль которых в турбулентности не очень хорошо известна».

Недавняя работа этой группы исследователей вносит большой вклад в изучение турбулентности, представляя многообещающую стратегию надежного экспериментального контроля. В будущем стратегия, представленная в их статье, может проложить путь для новых исследований, которые ранее было бы трудно провести. Это, в свою очередь, может помочь ответить на давние исследовательские вопросы, связанные с физическими процессами, лежащими в основе турбулентности.

Подробнее: Takumi Matsuzawa et al, Creation of an isolated turbulent blob fed by vortex rings, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02052-0 🔗