От шампанского до океана: как пузырьки в воде подчиняются гениальной формуле русского математика

Новое исследование, проведенное международной командой ученых, подтвердило теорию турбулентности, предложенную советским математиком Андреем Колмогоровым еще в 1941 году. Результаты работы, опубликованные в журнале Physical Review Letters, показывают, что эта теория применима к турбулентности, вызванной пузырьками в воде.

Колмогоровская теория (так называемое масштабирование K41) описывает, как энергия в турбулентном потоке передается от больших вихрей к все меньшим, пока не рассеивается, что имеет важное значение. Эта теория является основой гидродинамики.

До сих пор оставался открытым вопрос: применим ли этот закон к турбулентности, вызванной пузырьками, что требовало проверки. Это было важным вопросом для ученых.

Чтобы это проверить, ученые построили вертикальный водяной столб диаметром 11,5 см и запускали в него рой пузырьков снизу, что помогло смоделировать турбулентность. Это было необходимо для эксперимента.

Визуализация: высокоскоростные камеры

За процессом следили четыре синхронизированные высокоскоростные камеры, снимая со скоростью 2500 кадров в секунду, что позволяет получить детальные данные. Это дает возможность увидеть процессы.

Дополнительно применялось 3D-отслеживание траекторий — как самих пузырьков, так и частиц воды вокруг них, что помогло лучше понять процессы. Это была очень важная часть работы.

Оказалось, что при определенных размерах и концентрации пузырьков движение жидкости действительно подчиняется закону Колмогорова, что подтверждает теорию. Это важно для науки.

"Мы хотели получить окончательный ответ, внимательно изучив турбулентность между пузырьками и вокруг них в очень малых масштабах", — пояснил ведущий автор исследования Тянь Ма из HZDR, рассказывая о цели исследования.

Турбулентность пузырьковых потоков давно вызывает интерес физиков, так как является интересным аспектом для изучения. Это является важным.

Примеры: от напитков до океанских волн

Она встречается в самых разных ситуациях — от газированных напитков и промышленных смесителей до океанских волн, что указывает на ее распространенность. Это широко используется в природе.

"Теория Колмогорова элегантна, — отметил соавтор работы Эндрю Брэгг из Университета Дьюка, что указывает на ее важность.

Обнаружение того, что она также точно описывает турбулентность, вызванную пузырями, одновременно удивительно и захватывающе, что показывает значимость открытия. Это было интересно.

Команда не только подтвердила закон Колмогорова, но и предложила новую формулу для оценки потерь энергии в таких потоках, что позволяет лучше понимать процессы. Это необходимо для науки.

Она учитывает всего два параметра — размер и плотность пузырьков — и хорошо совпала с экспериментальными данными, что является важным фактом. Это очень важно для работы.

Ключ к пониманию: вихри вокруг пузырьков

Физики отмечают, что ключ в том, что вихри вокруг пузырьков настолько сильно нарушают течение, что именно это и приводит к появлению характерного "каскада энергии", описанного Колмогоровым. Это очень важно.

Соавтор работы Хендрик Хессенкемпер, руководивший экспериментами, подчеркивает важность правильных условий, что является важным для работы. Это позволяет правильно проводить работу.

Открытие имеет не только фундаментальное значение для физики, но и практическое — оно поможет лучше проектировать промышленные системы: от химических реакторов до очистных сооружений, что имеет огромное значение. Это поможет создать новые продукты.

"Чем больше мы понимаем фундаментальные правила турбулентности в потоках шампанского, тем лучше мы можем использовать их в реальных приложениях. И это довольно удивительно, что теория более 80 лет назад продолжает держаться в такой игривой среде", — заключил Тянь Ма, что подчеркивает долговечность теории.

Интересные факты о физике:

Теория относительности Альберта Эйнштейна изменила наше представление о пространстве и времени.
Квантовая механика описывает поведение материи на атомном и субатомном уровне.
Физика элементарных частиц изучает фундаментальные строительные блоки Вселенной.

Подтверждение теории турбулентности Колмогорова в эксперименте с пузырьками является важным достижением, которое углубляет наши знания о физике турбулентности и может привести к новым технологическим разработкам. Дальнейшие исследования помогут расширить знания.