Еще 10 лет назад считалось, что переход к турбулентности — чисто гидродинамический процесс: жидкости в трубе переходят из состояния ламинарного течения в турбулентное с увеличением их скорости. Но последние исследования ученых из Калифорнийского университета в Сан-Диего показали: объяснять его удобнее с помощью статистической механики, сообщается в пресс-релизе университета.
Удивительно, но математически этот процесс оказался похож на то, как вода просачивается через кофейный фильтр. Когда кипяток проходит через молотые зерна в фильтре, он либо течет слишком быстро, и напиток получается слабым, либо слишком медленно, и жидкость переливается через край. Лучший кофе получается только тогда, когда поток проходит с нужной скоростью. Этот процесс называют направленной перколяцией, и он подчиняется тем же математическим законам, что и переход от спокойного ламинарного течения к турбулентному.
В свежем исследовании физики Гуру К. Джаясингх и Найджел Голденфельд показали, что в изогнутой трубке переход к турбулентности может происходить неплавно. Как только скорость потока превышает критическое значение, турбулентность резко увеличивается. Ученые сравнивают это явление с замерзанием воды: как только температура падает ниже точки кристаллизации, жидкость внезапно превращается в лед. Результаты опубликованы в Physical Review Letters.
Ученые предложили теоретическую основу, которую они назвали трикритическая направленная перколяция — математическая модель, описывающая резкий переход от одного состояния к другому. Она объединяет недавние эксперименты и помогает делать прогнозы. По сути, тот же математический аппарат, который физики используют для описания фазовых переходов в термодинамике (жидкость становится твердым телом) и материаловедении (металл меняет свойства при охлаждении), можно применить и к турбулентности в гидродинамике.
Ранее Наука Mail писала, что самолеты все чаще попадают в сильную турбулентность, и исследователи связывают это с изменением климата.
