Докато редът често се превръща в хаос, понякога обратното е вярно. Бурната течност, например, има склонност да спонтанно образува подреден модел: успоредни ивици.
Въпреки че физиците са наблюдавали това явление експериментално, сега те могат да обяснят защо това се случва с помощта на основни уравнения на динамиката на флуидите, което ги прави стъпка по-близо до разбирането защо частиците се държат по този начин.
В лабораторията, когато течност е поставена между две успоредни плочи, които се движат в противоположни посоки една от друга, нейният поток става турбулентен. Но след малко турбуленцията започва да се изглажда в райета. Резултатът е платно от гладки и бурни линии, движещи се под ъгъл спрямо течението (представете си леки вълни, създадени от вятъра в река).
"Вие получавате структура и ясен ред от хаотичното движение на турбуленцията", каза старши автор Тобиас Шнайдер, асистент в инженерното училище на Швейцарския федерален технологичен институт Лозана. Това "вид странно и много неясно" поведение "очарова учените от много време".
Физикът Ричард Фейнман прогнозира, че обяснението трябва да се крие в фундаментални уравнения на динамиката на флуидите, наречени уравнения на Навие-Стоукс.
Но тези уравнения са много трудни за разрешаване и анализ, заяви Шнайдер пред Live Science. (Да се покаже, че уравненията на Навиер-Стоукс дори имат гладко решение във всяка точка за 3D флуид е един от проблемите с наградата за хилядолетия на стойност 1 милион долара.) До този момент никой не знаеше как уравненията предвиждат това поведение, което формира модел. Шнайдер и неговият екип използваха комбинация от методи, включително компютърни симулации и теоретични изчисления, за да намерят набор от "много специални решения" на тези уравнения, които математически описват всяка стъпка от прехода от хаос към ред.
С други думи, те разбиха хаотичното поведение надолу в неговите не хаотични градивни елементи и намериха решения за всеки малък къс. "Поведението, което наблюдаваме, не е мистериозна физика", каза Шнайдер. „Това по някакъв начин е скрито в стандартните уравнения, които описват потока на течността.“
Този модел е важен за разбиране, тъй като показва как бурният и спокойният, известен иначе като "ламинарен поток", се конкурират помежду си, за да определят окончателното му състояние, според изявление. Когато се появи този модел, бурните и ламинарни потоци са равни по сила - без нито една страна да спечели влекача.
Но този модел не се наблюдава в естествените системи, като турбуленция във въздуха. Шнайдер отбелязва, че подобен модел в действителност би бил "доста лош" за самолета, тъй като ще трябва да лети през скеле от неравномерни бурни и не турбулентни линии.
По-скоро основната цел на този експеримент беше да се разбере основната физика на течностите в контролирана среда, каза той. Само чрез разбиране на много простите движения на течностите можем да започнем да разбираме по-сложните системи на турбулентност, които съществуват навсякъде около нас, от въздушния поток около самолетите до вътрешността на тръбопроводите, добави той.
Изследователите публикуват своите открития на 23 май в списанието Nature Communications.
