Хаотичное движение в турбулентном потоке
Движение в турбулентном потоке приносит множество сюрпризов. И поведение одинаковых объектов в нем совершенно непредсказуемо — показывают недавние исследования американских ученых.
Резонно предположить, что два автомобилиста, стартуя из одной точки с одинаковой скоростью и передвигаясь в одном направлении, окажутся в одном месте на финише. Профессор Грегори Эйинк из Университета Джона Хопкинса, который занимается математической физикой, утверждает, что это правило не выполняется для двух одинаковых объектов, когда движение происходит в турбулентном потоке жидкости. Проверяя свои предсказания с помощью компьютерных моделей, он обнаружил, что две одинаковые маленькие бусинки, брошенные в одно и то же место турбулентного потока, окажутся в разных местах, причем, результаты движения предсказать невозможно. «Вывод довольно неожиданный. Представьте, что я стреляю в мишень, но каждый раз пуля летит в другом направлении», — удивляется Эйинк. — Все дело — в турбулентности потока, такое движение жидкости можно наблюдать в аэрированном потоке или вздымающейся вулканической лаве».
Чтобы просчитать поведение объектов в такой жидкости, Эйинк использовал компьютерную модель или виртуальный поток, созданный коллегами. В одно место этого «потока» ученый вбросил виртуальные бусины, которые стали свободно дрейфовать в пределах виртуальной жидкости. Затем в разных местах потока их начали беспорядочно «подталкивать». Как и следовало ожидать, в потоке частицы двигались в непредсказуемом направлении. «Удивительно, — говорит Эйинк, — когда толчки становились все более слабыми, частицы продолжали двигаться беспорядочно различными путями. В конце концов, компьютерный эксперимент показал, что бусинки будут перемещаться по разным траекториям, даже если толчки прекратить вовсе».
Это явление называют спонтанной стохастичностью, когда объекты в турбулентном потоке, даже если они идентичны и начинают движение с одного места, оказываются в непредсказуемом положении. Именно так могут себя вести не только субатомные частицы, но и комочки сажи или пыли, переносимые турбулентными потоками.
Работа ученого может помочь в разгадке происходящего в земных недрах, где, возможно, именно турбулентные потоки расплавленного металла генерируют магнитное поле планеты, а также к пониманию происходящего на Солнце во время мощных магнитных вспышек. По словам Эйинка, магнитные силовые линии движущейся намагниченной жидкости, если поток турбулентный, оказываются хаотичными, что противоречит принципу «вмороженности» магнитного поля.
5 июля 2011
