اكتشف الفيزيائيون كيفية "كبح" الاضطرابات. اشرح لماذا هذا مهم جدا

تلعب الاضطرابات الجوية دورًا رئيسيًا في حياة الإنسان اليومية: فهي تؤثر على الرحلات الجوية والطقس والمناخ

وكذلك تقنيات الطاقة النظيفة.كما أنه يحد من كفاءة استهلاك الوقود للمركبات. ومع ذلك، فقد ظل العلماء والمهندسون في حيرة منذ فترة طويلة بشأن كيفية التنبؤ بتدفقات السوائل المضطربة وتعديلها. لفترة طويلة، ظلت هذه واحدة من أصعب المشاكل في العلوم والتكنولوجيا.

الآن فيزيائيون من معهد التكنولوجياأثبتت جورجيا - عدديًا وتجريبيًا - أنه يمكن فهم الاضطراب وقياسه باستخدام مجموعة صغيرة نسبيًا من الحلول المخصصة للمعادلات الأساسية للديناميكا المائية. يمكن حسابها مسبقًا لهندسة معينة.

تم نشر نتائج الدراسة في المجلةوقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم. قاد فريق البحث رومان جريجوريف ومايكل شاتز ، وهما أساتذة في كلية الفيزياء في معهد جورجيا للتكنولوجيا.

مخطط دراسة الفيزيائيين. الصورة: مايكل شاتز ، رومان غريغوريف

التنبؤ كميا بتطور المضطربتعتبر التيارات، وجميع خصائصها تقريبًا، معقدة للغاية. النمذجة العددية هي طريقة التنبؤ الموثوقة الوحيدة المتاحة. ويوضح مؤلفو الدراسة أن المشكلة هي أنها "يمكن أن تكون باهظة الثمن". الهدف من العمل الجديد هو جعل التنبؤ أقل تكلفة.

تجربة جديدة للعلماء

أنشأ الباحثون "خارطة طريق" جديدةالاضطراب عن طريق دراسة التدفق المضطرب الضعيف بين أسطوانتين تدوران بشكل مستقل. لذلك ابتكر الفيزيائيون طريقة فريدة لمقارنة الملاحظات التجريبية مع التدفقات المحسوبة رقميًا. كل ذلك بفضل عدم وجود آثار نهائية.

"يمكن اعتبار الاضطراب بمثابة قطارالتي لا تتبع خط السكة الحديد وفقًا للجدول الزمني المحدد فحسب ، بل لها أيضًا نفس شكل السكة الحديدية التي تسافر عليها "، يشرح العلماء.

في التجربة ، استخدم الفيزيائيون الشفافيةالجدران التي توفر وصول بصري كامل. لذلك كانوا قادرين على تتبع حركة ملايين الجسيمات الفلورية المعلقة. في موازاة ذلك ، استخدم العلماء طرقًا متقدمة لحساب الحلول المتكررة لمعادلة تفاضلية جزئية (معادلة نافيير-ستوكس) التي تحكم تدفقات السوائل في ظل ظروف تتفق تمامًا مع التجربة.

استخدمت تجربة الباحثين جدرانًا شفافة للوصول البصري الكامل وتصور التدفق الأكثر حداثة. الصورة: مايكل شاتز

من المعروف أن السائل المضطرب يتدفقعرض مجموعة من الأنماط التي تسمى الهياكل المتماسكة. ليس فقط لأن لديهم ملف تعريف مكاني محدد جيدًا ، بل يظهرون ويختفيون بطريقة عشوائية على ما يبدو. من خلال تحليل البيانات التجريبية والرقمية ، وجد الفيزيائيون أن أنماط التدفق وتطورها تشبه تلك الموصوفة بواسطة الحلول المخصصة (التي حسبوها). من المهم أن تكون متكررة وغير مستقرة. وبالتالي ، فهم يصفون تكرار أنماط التدفق على فترات قصيرة. يتتبع الاضطراب قرارًا تلو الآخر ، مما يشرح الأنماط التي قد تظهر وبأي ترتيب.

ماذا فعل العلماء؟

جميع الحلول العودية التي وجدها العلماءتبين أنها شبه دورية ، أي تتميز بترددين مختلفين. وصف أحد الترددات الدوران العام لنمط التدفق حول محور التناظر للتدفق ، ووصف الآخر التغييرات في شكل نمط التدفق في الإطار المرجعي. تتكرر التدفقات المقابلة بشكل دوري في أنماط الدوران المشترك.

ثم قارن الفيزيائيون التدفقات المضطربة فيالتجربة والمحاكاة العددية المباشرة مع الحلول المتكررة. اتضح أن الاضطراب يتتبع بدقة قرارًا متكررًا تلو الآخر ، طالما استمر التدفق. تم بالفعل التنبؤ بمثل هذا السلوك للأنظمة الفوضوية منخفضة الأبعاد ، مثل نموذج لورنتز الشهير.

سمح الإعداد للباحثين بإعادة بناء التدفق من خلال تتبع حركة ملايين الجسيمات الفلورية المعلقة. الصورة: مايكل شاتز

وهكذا ، لاحظ العلماء تجريبياالحلول المتكررة لتتبع الحركة الفوضوية في التدفقات المضطربة. ومع ذلك ، فقد أشاروا إلى أن ديناميكيات التدفقات المضطربة أكثر تعقيدًا بسبب الطبيعة شبه الدورية للحلول المتكررة.

ومع ذلك ، فقد أظهروا أن المنظمةيتم التقاط الاضطرابات في كل من المكان والزمان بشكل جيد من خلال هذه الهياكل. هذه النتائج مفيدة لتمثيل الاضطراب من حيث الهياكل المتماسكة واستخدام ثباتها بمرور الوقت. الهدف هو التغلب على التأثير المدمر للفوضى على قدرة الفيزيائيين على التنبؤ والتحكم في تدفقات السوائل وتصميمها.

إلى أين يؤدي؟

ستؤثر نتائج التجربة على المجتمعالفيزيائيون وعلماء الرياضيات والمهندسون الذين ما زالوا يحاولون فهم اضطراب السوائل. يؤكد مؤلفو الدراسة أنها ربما تعتبر أكبر مشكلة لم يتم حلها في جميع العلوم.

في النهاية ، تم وضع تجربة العلماءالأساس الرياضي لاضطراب السوائل ، وهو ديناميكي بطبيعته وليس إحصائيًا. سيمكن هذا من التنبؤات الكمية التي تعتبر بالغة الأهمية لمختلف التطبيقات.

لن يؤدي ذلك إلى تحسين الدقة اليومية فقطتنبؤات الطقس ، ولكن الأهم من ذلك ، الأحداث المتطرفة مثل الأعاصير والأعاصير. الهيكل الديناميكي مهم أيضًا للعلماء الذين يحاولون تصميم التدفقات بالخصائص المرغوبة. على سبيل المثال ، سيتمكن الفيزيائيون من تقليل السحب حول المركبات لتحسين كفاءة الوقود.

قراءة المزيد:

فاجأت الصور الأولى للجزء الموجود تحت الأرض من المريخ العلماء

من الجسد إلى الفم: لقد فهم العلماء من أين أتت الأسنان

أين سيكون هذا الكوكب الأكثر خطورة بحلول عام 2100: تم نشر خريطة جديدة