Вихри завязали узлом

Американские физики впервые смоделировали вихревой поток в жидкости, воспользовавшись следом от крыла самолета

Американские физики впервые смоделировали вихревой поток в жидкости. «Завязать узелок» позволили идеи лорда Кельвина и вихри, возникающие вокруг крыла резко ускоряющегося самолета. Теперь ученые смогут создавать работающие модели солнечной атмосферы и даже внутреннего пространства атома.

Вихревые потоки — нередкое природное явление. Они появляются как в воздухе, так и в воде и могут быть вызваны как естественными явлениями, так и внешним вмешательством – от струи дыма изо рта курильщика до крыла летящего самолета. В последнем случае два вихревых потока возникают, когда самолет резко ускоряется, и движутся они в противоположных направлениях.

Именно этим примером вдохновились американские ученые.

Физики Уильям Ирвайн и Дастин Клекнер из Университета Чикаго впервые создали в жидкости вихревой поток в форме узелка.

В своей статье в журнале Nature Physics они рассказывают, как создали трехмерный профиль, а затем разогнали его до высокой скорости в емкости с наполненной пузырьками водой. Интерес к узлам тоже непраздный: они часто встречаются в природе — считается, что они играют важную роль как в процессах, описываемых квантовой механикой, так и в «классических» процессах.

Долгое время считалось, что существует возможность завязать вихревые потоки узлом в жидкости. Уильям Томсон, лорд Кельвин, создавший абсолютную шкалу температур, полагал, что атомы — это узлы, связующие эфир. Он увидел эксперимент по созданию кольцевого вихря, показанный физиком Питером Тейтом, и проникся элегантностью и устойчивостью эфемерной конструкции.

«В то время никто не знал, что собой представляют атомы, а теория эфира была все еще в моде», — пояснил Ирвайн.

В дни Кельвина ученые полагали, что Вселенная наполнена неким веществом — эфиром, передающим световые волны в пустоте так, как воздух передает звук в атмосфере. Тогда Кельвин предположил, что

атомы — это кольцевые и узловые вихри в эфире, причем разные типы узлов отвечали разным элементам периодической таблицы химических элементов.

Идея о том, что атомы — это узлы, конечно, не подтвердилась, однако открыла интересную область — изучение «узловых» систем в математике и физике.

Однако до сих пор никому не удавалось практически решить задачу получения узловых вихрей.

Ирвайн и Клекнер решили не изобретать велосипед, а использовать самолет.

Они изготовили с помощью 3D-принтера мини-копии аэродинамических поверхностей крыла самолета. Каждое из них они погружали в емкость с водой, наполненной мельчайшими пузырьками, сгенерированными с помощью электрического тока. Затем «крыло» очень быстро дергали, придавая ему значительное ускорение.

В результате этого воде приходилось экстренно заполнять пространство, освобожденное «крылом», собираясь в узел.

Чтобы запечатлеть жидкий узел во всей его трехмерной красе, ученые создали высокоскоростной лазерный сканер.

Экспериментально осуществить эту идею было отнюдь не просто — пришлось перепробовать 30 различных форм «крыла», пока экспериментаторы достигли нужного результата. При ускорении более 100 g (где g — ускорение свободного падения, примерно 9,8 м/с²) «крылья» начали оставлять за собой петли, видимые благодаря пузырькам.

«Пузырьки — отличная находка: именно они позволяют увидеть ядро вихря очень четко», — отмечают авторы работы.

Теперь ученые подтвердили теоретическую возможность «вязать узлы» вручную, и осталось применить ее к реальным системам. Предполагается, что эта технология позволит моделировать экзотические среды, такие как внешняя атмосфера Солнца, сверхпроводящий материал или недра атома, где взаимодействуют элементарные частицы.