Физики обратили направление потока энергии в турбулентности, согнув 80-летнее правило

В тонком слое закрученной воды физики заставили энергию течь не туда. Вместо того чтобы каскадом спускаться к всё более мелким вихрям или подниматься к всё более крупным, поток делал то, что выбирали исследователи, — в зависимости от того, как они расставляли силы, перемешивавшие его. Результат бросает вызов допущению, которое формирует физику жидкостей уже более восьмидесяти лет.

Более восьмидесяти лет рабочая картина турбулентности — это односторонний каскад. Считалось, что в трёхмерных течениях реки или открытого океана энергия неуклонно спускается от крупных вихрей к мелким, где в конце концов рассеивается в тепло. А в тонких, почти двумерных слоях каскад будто бы обращается, и мелкие вихри питают более крупные. Так или иначе, направление казалось закреплённым геометрией пространства, в котором жила жидкость.

Новая работа отрывает это направление от размерности течения. Направление, выяснили исследователи, задаётся согласованием двух величин в каждой точке жидкости: напряжения, сжимающего её, и деформации, которую она в ответ претерпевает. Подстрой угол между силой и смещением — и энергию можно гнать вверх или вниз по лестнице масштабов. Форма сосуда перестаёт быть судьбой.

Рекомендуем к прочтениюФизики впервые увидели, как атомы кристалла разворачивают своё вращение

Чтобы это показать, группа раскачивала магнитными силами неглубокий слой электропроводящей жидкости, посыпала его частицами-трассерами и снимала их движение. Перекраивая рисунок воздействия, она получала в одной и той же установке течения с прямой передачей энергии и течения с обратной. Компьютерные модели той же схемы воспроизвели переключение — то самое согласие, которое превращает удивительную картинку в измерение.

Управление каскадом имеет практический размах. Направление, в котором течёт энергия в жидкости, определяет, как в ней расходятся вещества, так что управлять им — значит, возможно, менять то, как берег рассеивает шлейф сточных вод, как микрофлюидный чип смешивает крошечные объёмы для медицинского анализа или как энергия движется по слоистым течениям, которые пытаются ухватить климатические модели.

Демонстрация живёт в тщательно контролируемой, по сути двумерной системе, а не в хаотичной трёхмерной турбулентности шторма или глубинного течения. Сохранится ли та же власть над направлением в полностью трёхмерных высокоэнергичных течениях — вопрос открытый, а прыжок от лабораторного лотка к океану велик. Принцип теперь установлен; его пределы — нет.

Исследование выполнила группа под руководством Питтсбургского университета в сотрудничестве с Туринским университетом, а результаты опубликованы в журнале Science Advances. Следующий шаг группы — проверить, как далеко простирается управление через согласование тензоров по мере того, как течения становятся толще и энергичнее, — в том режиме, где и живёт большая часть настоящей турбулентности.

Теги: physics

Похожие материалы

Свет всегда скрывал вселенную из 48 измерений

Тachионы: физика на границе света

Призрачные жесткие диски космоса: почему крупнейшие черные дыры сделаны из воздуха

«Уэбб» нашёл галактику в несколько раз массивнее Млечного Пути, которая почти не вращается

Новая физика интеллекта: Термодинамические вычисления и конец цифрового детерминизма

Крупицу металла из 10 000 атомов удержали в двух местах одновременно