מערבולת ממלאת תפקיד מפתח בחיי היומיום האנושיים: היא משפיעה על טיסות, מזג אוויר ואקלים, וכן
עכשיו פיזיקאים מהמכון הטכנולוגיג'ורג'יה הוכיחה - מספרית וניסויית - שניתן להבין ולכמת מערבולות באמצעות קבוצה קטנה יחסית של פתרונות אד-הוק למשוואות היסוד של ההידרודינמיקה. ניתן לחשב אותם מראש עבור גיאומטריה מסוימת.
תוצאות המחקר מתפרסמות בכתב העתהליכים של האקדמיה הלאומית למדעים. את צוות המחקר הובילו רומן גריגורייב ומייקל שץ, פרופסורים בבית הספר לפיזיקה במכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה.
תכנית לימודי הפיזיקאים. צילום: מיכאל שץ, רומן גריגורייב
חזה כמותית את האבולוציה של סוערזרמים, וכמעט כל מאפיינים שלהם, מורכבים למדי. מודלים מספריים הם גישת החיזוי האמינה היחידה הזמינה. הבעיה היא שזה "יכול להיות נורא יקר", מסבירים מחברי המחקר. המטרה של העבודה החדשה היא להפוך את החיזוי לזול יותר.
ניסוי חדש של מדענים
חוקרים יצרו "מפת דרכים" חדשהמערבולות על ידי חקר זרימה סוערת חלשה בין שני צילינדרים מסתובבים באופן עצמאי. אז פיזיקאים יצרו דרך ייחודית להשוות תצפיות ניסויות עם שטפים מחושבים מספרית. הכל בזכות היעדר אפקטים סופיים.
"אפשר להתייחס למערבולת כאל רכבתאשר לא רק עוקבת אחר מסילת הברזל לפי לוח הזמנים שנקבע, אלא גם בעלת צורה זהה למסילת הברזל בה היא נוסעת", מסבירים המדענים.
בניסוי השתמשו פיזיקאים בשקוףקירות המספקים גישה ויזואלית מלאה. אז הם הצליחו לעקוב אחר תנועתם של מיליוני חלקיקי פלורסנט מרחפים. במקביל, המדענים השתמשו בשיטות מתקדמות כדי לחשב פתרונות חוזרים למשוואה דיפרנציאלית חלקית (משוואת Navier-Stokes) השולטת בזרימת נוזלים בתנאים התואמים בדיוק את הניסוי.
הניסוי של החוקרים השתמש בקירות שקופים לגישה חזותית מלאה והדמיית זרימה מתקדמת. צילום: מיכאל שץ
זה ידוע כי נוזל סוער זורםלהדגים קבוצה של דפוסים הנקראים מבנים קוהרנטיים. לא רק שיש להם פרופיל מרחבי מוגדר היטב, הם גם מופיעים ונעלמים בצורה אקראית לכאורה. בניתוח נתונים ניסיוניים ומספריים, פיזיקאים מצאו שדפוסי זרימה והתפתחותם דומים לאלו המתוארים בפתרונות אד-הוק (שהם חישבו). חשוב שהם חוזרים על עצמם ולא יציבים. ולפיכך, הם מתארים דפוסי זרימה חוזרים במרווחים קצרים. מערבולות עוקבת אחר החלטה כזו לאחרת, מה שמסביר אילו דפוסים עשויים להופיע ובאיזה סדר.
מה עשו המדענים?
כולם פתרונות רקורסיביים שמדענים מצאוהתברר כמעין-מחזורי, כלומר, מאופיין בשני תדרים שונים. תדר אחד תיאר את הסיבוב הכללי של תבנית הזרימה סביב ציר הסימטריה של הזרימה, והשני תיאר שינויים בצורת תבנית הזרימה במסגרת הייחוס. הזרימות המתאימות חוזרות על עצמן מעת לעת בדפוסים מסתובבים יחד.
לאחר מכן השוו הפיזיקאים את הזרימות הסוערות פנימהניסוי וסימולציה מספרית ישירה עם פתרונות חוזרים. התברר שמערבולת עוקבת במדויק אחר החלטה שחוזרת על עצמה, כל עוד הזרימה נשמרת. התנהגות כזו כבר נחזה עבור מערכות כאוטיות נמוכות ממדים, כמו מודל לורנץ המפורסם.
ההגדרה אפשרה לחוקרים לשחזר את הזרימה על ידי מעקב אחר תנועתם של מיליוני חלקיקי פלורסנט מרחפים. צילום: מיכאל שץ
לפיכך, מדענים צפו בניסויפתרונות חוזרים למעקב אחר תנועה כאוטית בזרימות סוערות. עם זאת, הם ציינו שהדינמיקה של זרימות סוערות מסובכת הרבה יותר בגלל האופי המעין-מחזורי של הפתרונות החוזרים.
עם זאת, הם הראו כי הארגוןמערבולות הן בחלל והן בזמן נתפסת היטב על ידי מבנים אלה. תוצאות אלו שימושיות כדי לייצג מערבולות במונחים של מבנים קוהרנטיים ולהשתמש בקביעות שלהם לאורך זמן. המטרה היא להתגבר על ההשפעה ההרסנית של הכאוס על יכולתם של פיזיקאים לחזות, לשלוט ולתכנן זרימות נוזלים.
לאן זה מוביל?
תוצאות הניסוי ישפיעו על הקהילהפיזיקאים, מתמטיקאים ומהנדסים שעדיין מנסים להבין מערבולת נוזלים. היא נחשבת אולי לבעיה הבלתי פתורה הגדולה ביותר בכל המדע, מדגישים מחברי המחקר.
בסופו של דבר, הניסוי של מדענים מונחהבסיס המתמטי למערבולת נוזלים, שהיא דינמית במהותה, לא סטטיסטית. זה יאפשר תחזיות כמותיות שהן קריטיות עבור יישומים שונים.
זה לא רק ישפר את הדיוק של היומיתחזיות מזג האוויר, אבל הכי חשוב, אירועי קיצון כמו סופות הוריקן וטורנדו. המבנה הדינמי חשוב גם עבור מדענים המנסים לתכנן זרימות עם המאפיינים הרצויים. לדוגמה, פיזיקאים יוכלו להפחית את הגרר סביב כלי רכב כדי לשפר את יעילות הדלק.
קרא עוד:
התמונות הראשונות של החלק התת-קרקעי של מאדים הפתיעו את המדענים
מהגוף אל הפה: מדענים הבינו מאיפה הגיעו השיניים
היכן על פני כדור הארץ יהיה המסוכן ביותר עד שנת 2100: מפה חדשה פורסמה