Італійські фізики поставили під сумнів 80-річний закон турбулентності

Нове дослідження поставило під сумнів одне з базових уявлень про турбулентність, яке фізики використовували понад 80 років. Вчені з Uni­ver­si­ty of Pitts­burgh разом із колегами з Італії довели, що напрям перенесення енергії в турбулентних потоках може змінюватися залежно від умов, а не є сталим. Результати опублікували в Sci­ence Advances.

Досі вважалося, що у тривимірних потоках енергія переходить від великих вихорів до менших, а у двовимірних — навпаки, від малих структур до більших. Це правило було сформульоване ще у 1941 році Андрієм Колмогоровим. Нове дослідження показало, що напрям руху енергії залежить від узгодження сил і зміщень у системі.

Для перевірки гіпотези науковці створили математичну модель на основі тензорів і провели експерименти. Вони використали тонкий шар електроліту, горизонтальне магнітне поле та масив стрижнів для збурення потоку. Спостереження підтвердили: зміна геометрії системи може змінювати напрям перенесення енергії.

Установка для потоку з тонким шаром та електромагнітним приводом, яка використовується для перевірки моделі. Джерело: Зіюе Ю

Практичне значення відкриття полягає у можливості керувати змішуванням і рухом рідин. Це може допомогти впливати на поширення стічних вод чи забруднювачів біля узбережжя, а також покращувати процеси в мікрофлюїдних системах, де турбулентність зазвичай майже відсутня.

Автори також вважають, що новий підхід може бути корисним для кліматичних моделей. Зміни вітру та океанічних течій на тлі глобального потепління можуть впливати на напрям перенесення енергії в природних потоках, що дає змогу точніше описувати процеси в атмосфері та океані.