Турбулентность
Технологии

Турбулентность – одна из самых больших неразгаданных тайн физики

Всякий, кто хотя бы десяток раз летал в самолете, знает, что такое турбулентность. Это когда вас и ваших попутчиков начинает сильно трясти. Самые пугливые пассажиры начинают молиться и лезут за валидолом. Если в этот момент выглянуть в иллюминатор, то никакой грозы или урагана там может не обнаружиться – часто это происходит в совершенно безоблачном небе. Возможно, это вас как-то утешит, но турбулентность до сих пор остаётся одной из самых больших тайн физики. За более чем сто лет изучения этого явления учёным удалось найти лишь несколько ответов на вопрос о том, как она возникает и как влияет на объекты окружающего нас мира.

Турбулентность
Турбулентность

Турбулентность – это не только то, что пугает пассажиров летательных аппаратов. Она вездесуща и возникает практически в любой системе, где есть движущиеся струи. Это относится, например, к потокам воздуха в дыхательных путях человека, движению крови по артериям или кофе в чашке, когда вы его размешиваете. Турбулентность воздействует на облака, на волны, разбивающиеся о берег моря, на выбросы плазмы на Солнце. Понимание этого феномена может положительно отразиться на многих аспектах нашей повседневной жизни.

Ламинарный поток

Жидкости и газы обычно движутся двумя способами: как ламинарный поток, который отличается стабильностью и равномерностью, и как турбулентный поток, полностью состоящий из хаотичных завихрений. Вспомните, как тлеет ароматическая палочка. У основания столбика дыма струя устойчива. Вы легко можете угадать, какой она будет и через минуту, и через пять. Однако, поднимаясь, дым ускоряется, становится неустойчивым, и начинает представлять собой нечто хаотичное. Это весьма наглядное проявление турбулентности – которая, тем не менее, сообщает движущимся потокам некие общие характеристики.

Во-первых, они всегда хаотичны. Это не совсем то же самое, что «случайность». Данное свойство скорее означает, что турбулентный поток крайне чувствителен к мельчайшим пробоям и прерываниям. Даже микроскопические толчки с той или иной стороны приводят к совершенно разным результатам. По этой причине движение такого потока практически невозможно предсказать, даже если вы обладаете всей полнотой информации о текущем состоянии системы. Ещё одной важной характеристикой турбулентности являются разные масштабы движения внутри потоков. Они состоят из множества разноразмерных вихрей, которые постоянно взаимодействуют друг с другом, распадаются, уменьшаются, и всё это в конечном итоге превращается в тепло. Этот процесс называется “энергетическим каскадом”.

Почему возникает турбулентность?

Именно по этим признакам и распознается турбулентность. Вопрос в том, почему она возникает. Каждый движущийся поток жидкости или газа характеризуется двумя разнонаправленными силами – инерцией и вязкостью. Инерция – это стремление потока продолжать движение, что порождает нестабильность. Вязкость, наоборот, сглаживает возмущения, стремясь сделать поток ламинарным. В густых жидкостях, таких, как мед, почти всегда побеждает вязкость. Вода и воздух, наоборот, более склонны к инерции, что порождает нестабильность, развивающуюся в турбулентность.  Для измерения соотношения между инерцией потока и его вязкостью используется так называемое число Рейнольдса. Чем оно выше, тем выше вероятность возникновения турбулентности. У мёда, выливаемого в чашку, это значение находится в районе единицы. У воды, с которой делают то же самое, оно ближе к десяти тысячам. 

Число Рейнольдса эффективно объясняет простые сценарии, но этого нельзя сказать о сложных системах. Оно не работает уже при описании таких относительно простых явлений, как воздействие потока воздуха встречного грузовика на вашу легковушку или порывов ветра на небоскрёб. Естественно, всё это может моделироваться благодаря множеству ранее проведённых экспериментов и собранных эмпирических данных.

Однако физики хотят получить возможность вычислять это с помощью формул и уравнений, как это удалось добиться в отношении, например, орбитального движения планет или направления электромагнитных полей.Сегодня считается, что это станет возможно в результате накопления статистических данных и увеличения вычислительной производительности  компьютеров.

Мощные симуляции турбулентных потоков способны, как кажется, выявить закономерности, которые затем могут быть использованы для создания некой универсальной теории. Противники данной идеи считают, что это явление слишком сложно и полноценно описать его не удастся. И всё же хочется надеяться, что турбулентность будет изучена в достаточной степени. Это будет иметь огромное практическое значение.

Представьте себе гораздо более эффективные ветряные электростанции, хирургически точные прогнозы погоды, рассеивание ещё не набравших силу тропических ураганов – это лишь немногие из сфер применения знаний, касающихся турбулентности. И, естественно, отпадёт необходимость брать успокаивающее на борт пассажирских самолётов.

Text.ru - 100.00%

Поделиться ссылкой:

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector