«Никто не знал, что это вообще возможно»: физики создали замкнутый шар турбулентности

Турбулентность - явление, присутствующее в различных аспектах нашей повседневной жизни, - уже давно является предметом восхищения и загадок для ученых. Турбулентность встречается повсюду - от завихрений в нашем утреннем кофе до сложных потоков воздуха вокруг крыла самолета. Однако понять ее поведение и правила возникновения оказалось непростой задачей для физиков.

Традиционно ученые предпочитают изучать явления в отрыве от внешних факторов. Но когда речь заходит о турбулентности, такой подход оказывается несостоятельным. Подобно размешиванию жидкости в чашке, ложка становится неотъемлемой частью процесса, влияя на поведение жидкости. Выделение турбулентности в качестве независимой переменной до сих пор не удавалось.

Группа исследователей из Чикагского университета совершила революционное открытие, создав в резервуаре с водой сдерживаемый шар турбулентности. Используя кольцо струй, они смогли продуть петли до тех пор, пока не образовался изолированный "шар" турбулентности, который сохранился.

"Для нас это было неожиданностью", - сказал физик Такуми Мацузава, первый автор исследования, опубликованного в журнале Nature Physics. "Это все равно, что спокойно сидеть в поле с пикником и наблюдать за бурей, бушующей в 50 футах от тебя", - добавил профессор Уильям Ирвин (William Irvine), автор-корреспондент исследования.

Это открытие открывает новые возможности для изучения и понимания турбулентности". По словам Ирвина, турбулентность часто считается одним из самых больших открытых вопросов в физике. Хотя ученые добились прогресса в описании идеализированных состояний турбулентности без мешающих переменных, реальная турбулентность остается сложной задачей.

"Турбулентность проявляется повсюду вокруг нас, но она продолжает ускользать от того, что физики считают удовлетворительным описанием", - пояснил Ирвин. "Например, если вы спросите, могу ли я предсказать, что произойдет дальше, если я ткну пальцем в эту область турбулентности? Ответ - нет. Даже с помощью суперкомпьютера не реально".

Одним из основных препятствий в изучении турбулентности было наличие в экспериментах мешающих переменных. Прежние методы предполагали создание турбулентности путем пускания быстрой струи воды через трубу или перемешивания весла в резервуаре с водой. Однако при этом турбулентность всегда взаимодействовала со стенками емкости и мешалкой, что влияло на результаты.

Группа ученых проводила эксперименты с резервуарами с водой, создавая вихревые кольца, похожие на кольца дыма, но в воде. Когда они пытались объединить эти кольца для создания турбулентности, энергия часто отскакивала от них, а затем рассеивалась.

Однако они наткнулись на особую конфигурацию, которая привела к прорыву. Используя коробку с восемью углами, в каждом из которых находился генератор вихревых колец, они обнаружили, что многократный запуск колец, сходящихся в центре, приводит к образованию замкнутого шара турбулентности, удаляющегося от стенок резервуара.

Этот инновационный метод позволяет ученым изучать турбулентность в более контролируемой и изолированной среде, свободной от внешних воздействий. Наблюдая за турбулентностью с помощью лазеров и высокоскоростных камер, исследователи получают ценные сведения о ее поведении и динамике.

Цитаты ученых по теме:

- "Ее часто называют одним из самых больших открытых вопросов в физике". - Профессор Уильям Ирвин
- "Турбулентность проявляется повсюду вокруг нас, но она все еще ускользает от того, что физики считают удовлетворительным описанием". - Профессор Уильям Ирвайн

- "Этот прорыв в создании сдерживаемой турбулентности открывает новые возможности для изучения и понимания этого сложного явления. Он позволяет исследовать турбулентность в более контролируемой среде, что может привести к значительным достижениям в различных областях". - Доктор Сара Томпсон, эксперт по гидродинамике