Nowe wyniki badań mogą w końcu dać nam „plany czasowe” dla tego zaburzenia: ScienceAlert

Przy odpowiedniej fizyce możliwe jest wystrzelenie pudła z wyraźnymi okręgami w całym Układzie Słonecznym z niezwykłą dokładnością, aby znaleźć się w wąsach z odległych światów.

Ale dodaj trochę mleka do herbaty, a najlepsze, co mogą zrobić fizycy, to zaryzykować zgadywanie, jakie wzorce zaobserwujesz w napojach.

Płyny są naprawdę chaotycznymi elementami, jeśli chodzi o naukę, ale nowy sposób obliczania ich ruchu może wkrótce sprawić, że ich przepływ będzie bardziej przewidywalny.

Naukowcy mogą to wykorzystać nie tylko do lepszego zrozumienia hydrodynamiki, ale mogą też sprawić, że wszystko, od prognoz pogody po projektowanie pojazdów, będzie znacznie dokładniejsze.

Fizycy z Georgia Institute of Technology pokazali, że możliwe jest zidentyfikowanie momentów, w których turbulencje odzwierciedlają mierzalne wzorce, i skutecznie odnajdują błyski matematycznie zdefiniowanego porządku wewnątrz koła.

„Prawie sto lat temu perturbacja została opisana statystycznie jako proces stochastyczny” Mówi Georgia Tech fizyk Roman Grigoriev.

„Nasze wyniki stanowią pierwszą empiryczną demonstrację, w odpowiednio krótkich skalach czasowych, że dynamika perturbacji jest deterministyczna – i wiąże ją z leżącymi u jej podstaw równaniami deterministycznymi”.

Kłopot jest trudny do przewidzenia Głównie ze względu na sposób, w jaki w płynie tworzą się małe wiry lub wiry. Kiedy materia płynie w linii prostej płynnym strumieniem, jej prędkość i trajektorię są łatwe do przewidzenia. Jeśli jakakolwiek ścieżka w strumieniu stanie się powolna, być może przez przeciągnięcie wzdłuż mniej poruszającej się powierzchni, płyn skręci się z powrotem.

Z każdym nowym prądem zaciskania powstaje nowa powierzchnia, która może tworzyć nowe wiry.

Aby to jeszcze bardziej skomplikować, każdy wir działa pod wpływem wielu czynników — od ciśnienia po lepkość — i szybko tworzy burzę w filiżance, której żaden komputer nie może śledzić.

Z bliska wszystko wygląda bardzo losowo. Cofnij się o krok, a statystyki pokażą, że cały proces pozostaje mocno osadzony w tych samych starożytnych zasadach, które rządzą wszystkimi innymi poruszającymi się obiektami we wszechświecie.

„Turbulencje można traktować jako pojazd poruszający się po serii dróg” Mówi Grigoriew.

„Być może lepszą analogią jest pociąg, który nie tylko jeździ po torze zgodnie z ustalonym rozkładem, ale także ma taki sam kształt jak kolej, którą jedzie”.

Podobnie jak w przypadku naszej standardowej szyny, zaburzenia można opisać jako symulację numeryczną lub za pomocą modeli fizycznych. I tak jak rozkład jazdy pociągów jest pomocny w zapewnieniu punktualnego odjazdu, trzymanie się matematycznego podejścia do turbulencji jest jedynym sposobem, aby uzyskać wiarygodne prognozy.

Niestety wszystkie te liczby można szybko zsumować, co powoduje, że obliczenia są kosztowne.

Aby sprawdzić, czy istnieje sposób na uproszczenie prognozy, zespół stworzył zbiornik z przezroczystymi ścianami i cieczą zawierającą małe cząsteczki fluorescencyjne. Kierowanie płynu pomiędzy parę niezależnie obracających się cylindrów i śledzenie świecącej zawartości było jak oglądanie pociągów przejeżdżających przez stację w czasie rzeczywistym.

Jednak naukowcy musieli najpierw wymyślić osie czasu i zobaczyć, które z nich wyglądały tak, jak to, co widzieli.

Wymaga to rozwiązań obliczeniowych, aby: zbiór równań Stworzony prawie 200 lat temu. Dopasowując eksperyment do wyników matematycznych, zespół może określić, kiedy pojawiają się pewne wzorce zakłóceń, zwane strukturami koherentnymi.

Chociaż pojawiają się regularnie w poruszających się płynach, czas powstawania koherentnych struktur jest nieprzewidywalny. W tym konkretnym układzie spójne struktury przylegały do ​​quasi-okresowego wzoru składającego się z dwóch częstotliwości – jednej obracającej się wokół osi symetrii przepływu, a drugiej opartej na innym zestawie przejść w otaczającym prądzie.

Chociaż nie jest to prosty zestaw równań, który może opisać turbulencję we wszystkich jej formach, pokazuje on rolę, jaką spójne struktury mogą odgrywać w zwiększaniu jej przewidywalności.

Rozwijając tę ​​pracę, przyszłe badania mogą zdynamizować swoje „oś czasu” perturbacji, opisując je bardziej szczegółowo, niż mogą dostarczyć średnie statystyczne.

„Może to dać nam możliwość radykalnej poprawy dokładności prognoz pogody, w szczególności umożliwiając przewidywanie ekstremalnych zdarzeń, takich jak huragany i huragany”. Mówi Grigoriew.

„Dynamiczne kadrowanie jest również niezbędne dla naszej zdolności do projektowania przepływów o pożądanych właściwościach, na przykład zmniejszania oporu wokół pojazdów w celu poprawy efektywności paliwowej lub poprawy transportu masowego, aby pomóc w usuwaniu większej ilości dwutlenku węgla z atmosfery w powstającej branży bezpośredniego wychwytywania powietrza. „

Może nawet w końcu powiedzieć ci, czego możesz się spodziewać po następnej filiżance herbaty.

To badanie zostało opublikowane w PNAS.