Физики и математики давно изучают завихренность — меру локального вращения или вихревого движения в жидкости. Динамика вихреобразования регулируется знаменитыми уравнениями Навье-Стокса, которые говорят нам, что вихреобразование создается прохождением жидкости мимо стенок. Более того, из-за своего внутреннего сопротивления сдвигу вязкие жидкости будут рассеивать вихреобразование внутри себя, и поэтому любые постоянные вихревые движения потребуют постоянного пополнения вихреобразования.
Физики из Чикагского университета и прикладные математики из Института Флэтайрон изучили вязкие жидкости, в которых были взвешены крошечные вращающиеся частицы, выступающие в качестве локальных, мобильных источников вихреобразования. Они смогли увидеть поведение жидкостей, которое никогда ранее не наблюдалось, пишет Phys.org.
Для проведения своих экспериментов ученые создали большое количество цилиндрических частиц миллиметрового размера. Затем они использовали магнитные поля, чтобы заставить эти частицы вращаться в то время, когда они находились в вязкой жидкости.
Эксперты наблюдали, как отдельные частицы создавали локализованную трехмерную область вихреобразования вокруг себя. Эта закрученная область, которую они назвали «вихрем», производила различные захватывающие поведения жидкости. Ученые заметили, что небольшие асимметрии в форме частицы могут деформировать вихрь, который она производит. Это заставляет частицу самопроизвольно двигаться внутри жидкости.
«Численное моделирование таких вращающихся частиц, движущихся в вязкой жидкости, показало превосходное согласие с экспериментами как с точки зрения структуры вихря, так и скорости самодвижения», — поясняет исследователь Майкл Шелли из Института Флэтайрон в Нью-Йорке.
В сочетании с математическим анализом уравнений Навье-Стокса моделирование показало, что самодвижение возникает из-за наклона пограничного слоя давления, который сам по себе является следствием вращения, вдоль боковой стенки частицы. Ученые также обнаружили, что вращающиеся частицы взаимодействуют через свои вихри, создавая новое и динамичное групповое поведение.
Ранее ученые придумали, как сделать квантовую физику понятной для школьников.
