Ученые раскрыли секрет водоворотов: физика воды
Представьте себе крошечный водоворот, который возникает в чашке с чаем, когда вы размешиваете в ней сахар. Наблюдателю со стороны движение жидкости кажется простым и однонаправленным, но, как недавно выяснили ученые, на самом деле все намного сложнее. Закручивание потока можно условно разделить на три основные части: «связь», «изгиб» и «поворот». Связь образуется, когда одна петля проходит через центр другой, как звенья цепи. Изгиб — когда петля вдруг резко меняет траекторию, как неуправляемый садовый шланг с бьющей из него струей воды. Поворот, в свою очередь, не изменяет форму все й водной воронки, но воздействует на ее составляющие: он происходит, когда несколько потоков воды обтекают друг друга как нитки в витой веревке. В результате взаимодействия трех этих сил и образуется спиралевидная водная воронка.
Два первых явления просты и легко поддаются измерениями, но вот последнее делает этот процесс весьма непростым. До недавнего времени ученые не могли измерить все три параметра одновременно. Уильям Ирвин, вместе со своими коллегами из Чикагского университета, решили эту проблему. Они создали воронку, поместив напечатанное на 3D-принтере кольцо из пластика в резервуар с водой. Когда кольцо извлекли из резервуара, оно оставило после себя вращающуюся петлю. Но это еще не все: на кольцо были нанесены частицы красителя и трассер-агентов, которые попали в воду и позволили ученым отслеживать даже небольшие изменения в потоке воды с помощью лазеров, которые подсвечивали краситель и трассеры. Оказалось, что все три параметра движения воды в воронке зависят друг от друга.
Если смоделировать на компьютере гипотетическую жидкость с отсутствующей вязкостью, однажды созданная воронка будет крутиться в ней бесконечно. В реальных же жидкостях именно вязкость приводит к тому, что рано или поздно воронка рассеивается. Однако ученые выяснили, что при сохранении спиралевидной структуры воронка может существовать намного дольше, чем при обычных условиях.
Почему это важно? Подобные завихрения есть везде: они создают турбулентность, в которую может попасть самолет, помогают насекомым летать и даже возникают в солнечной плазме. Понимание того, как они работают на практике, окажет существенную помощь поможет исследователям во всех сферах науки.
