Физический эксперимент, вдохновленный ядром Земли, привел к новаторскому открытию

Физики обнаружили неожиданную особенность турбулентности, которая может объяснить явления от движения жидкого ядра Земли до кипения воды. Турбулентность — хаотическое движение жидкости или газа, которое возникает при больших скоростях потока или при разнице температур. Турбулентность играет важную роль во многих естественных и технических процессах, но её физическая природа до сих пор не до конца понятна.


В новом исследовании, опубликованном в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, физики изучали один из видов турбулентности — конвективную. Конвекция — движение жидкости под действием разницы температур: горячая жидкость движется вверх, а холодная опускается вниз.


 — Джун Чжан, профессор математики и физики в Нью-Йоркском университете, старший автор статьи.

Для своего эксперимента, проведенного в Совместном научно-исследовательском институте Нью-Йоркского университета, авторы статьи использовали цилиндрический сосуд, наполненный водой, которую нагревали снизу, создавая конвективные потоки. Внутри сосуда находилась прямоугольная панель из твердого материала, которая могла свободно двигаться под действием потоков. Такая постановка позволила исследовать, как турбулентные потоки взаимодействуют с твердыми структурами внутри жидкости.


 — Джун Чжан.

Результаты эксперимента показали, что конвективные потоки образуют большие вихри, которые называются крупномасштабной циркуляцией (КМЦ). Исследователи обнаружили, что свободное тело и КМЦ начинают вращаться в одном направлении, нарушая симметрию системы. Скорость вращения зависит от разницы температур между дном и крышкой. Иногда направление вращения меняется случайным образом. Это явление интересно с точки зрения физики и динамики систем.




 — Джун Чжан.

Полностью познакомиться с работой ученых и ее результатами можно в публикации «Persistent corotation of the large-scale flow of thermal convection and an immersed free body».