Физики обнаружили скачкообразный переход ламинарного потока в турбулентный в изогнутых трубах
Автор: Unsplash/CC0 Public Domain
Турбулентность окружает нас повсюду, однако многое в её природе остаётся неизвестным. В течение последнего десятилетия физики выяснили, как жидкости в трубах и подобных геометрических структурах переходят из гладкого ламинарного состояния в турбулентное по мере увеличения скорости потока.
Удивительно, но согласно новому консенсусу, этот процесс можно описать с помощью статистической механики, а не механики жидкостей, и он математически эквивалентен тому, как вода просачивается через кофейный фильтр.
В новом исследовании учёные из Калифорнийского университета в Сан-Диего Гуру К. Джаясинг и Найджел Голденфелд предсказали, что если труба достаточно изогнута, переход может стать скачкообразным: доля турбулентности резко возрастает после достижения критической скорости потока. Этот скачок математически аналогичен тому, как вода может внезапно и скачкообразно превращаться в лёд при охлаждении ниже температуры замерзания.
«Наша работа — это ещё один яркий пример того, как междисциплинарные подходы могут давать неожиданные решения сложных научных проблем, в данном случае той, что существует уже более века», — говорит Найджел Голденфелд, заслуженный профессор физики.
Новая концепция — так называемая трикритическая направленная перколяция — охватывает как формирующийся научный консенсус, так и недавние эксперименты, а также делает новые предсказания.
Исследование показывает, что весь аппарат теории фазовых переходов, изначально разработанный для термодинамики и ставший основополагающим в материаловедении, химии и физике, может быть применён к определённым переходным явлениям в механике жидкостей.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Дополнительная информация: Guru K. Jayasingh et al, Tricritical Directed Percolation Controls the Laminar-Turbulent Transition in Pipes with Body Forces, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/46g3-n7cx
0 комментариев