Российские физики смоделировали завихрения в океане при помощи стакана воды

Опубликовано 2016-04-29

• 
• Сосуд с водой, вид сверху. Здесь красным показано вращение против часовой стрелки, синим - по часовой

МОСКВА, 29 апреля. /ТАСС/. Ученые из ряда российских институтов, включая МФТИ, поняли, как волны на поверхности жидкости образуют вихревые течения. Физики разработали и проверили свою теорию для течений маленьких масштабов, но новый подход может быть использован и для анализа вихревых течений на поверхности океанов, сообщила пресс-служба МФТИ.

Вихри в жидкости или вблизи ее поверхности играют важную роль в поведении самых разных объектов — от небольших емкостей до океанов — но исчерпывающего понимания их поведения у специалистов по гидродинамике до сих пор нет. Физика процессов настолько сложна, что даже корректно смоделировать эти явления в стакане до этого было сложно. Тем не менее, российские физики справились с этой задачей. «Ученые впервые разработали механизм генерации вертикального завихренного движения поверхности жидкости распространяющимися по ней волнами», — говорится в пресс- релизе.

Буря в стакане

В новой работе они изучали взаимодействие двух поверхностных волн, распространяющихся в разных направлениях, и показали, что даже в жидкостях с малой вязкостью (то есть с малым трением между слоями) таки явления порождают сложную систему вертикальных вихрей.

Для проверки своей теории исследователи взяли почти квадратный сосуд размером 4×5 см и глубиной 1 см (модель показала, что в строго квадратном эффект окажется слабым из-за синхронности колебаний двух волн). Его наполнили водой и поставили на платформу, которая совершала вертикальные колебания на резонансной частоте, позволяющей наиболее эффективно раскачать систему. Через одну-две секунды после возбуждения волн появилась стоячая рябь и одновременно с ней образовалась квадратная решетка из завихрений. Такая картина соответствовала теоретически полученному уравнению. Меняя условия эксперимента, ученые получали немного разные результаты, но все они совпали с предсказанными.

Океаническая масштабы

Как недавно показал другая работа группы исследователей из Австралии и России, при частоте колебаний выше некоторого порога, поверхностные волны становятся настолько сильными, что взаимодействия между вихрями становятся существенными для корректного описания системы.

Приведенные в статье результаты позволят изучить эти эффекты и разработать для них вычислительную модель.

«Взаимодействие между вихрями, — пояснил Владимир Лебедев, руководитель исследования, директор ИТФ и заведующий кафедрой физики и технологии наноструктур МФТИ, член корреспондент РАН — приводит к генерации вихрей все большего масштаба, вызывая в конечном итоге формирование вихрей значительного размера и большой амплитуды. Такие вихри могут оказывать, например, существенное влияние на перенос планктона в океане и дальнейшие исследования должны прояснить детали этого процесса».

Статья ученых из Института физики твердого тела, института теоретической физики им. Ландау и МФТИ опубликована в журнале Physical Review Letters.

Источник https://sdelanounas.ru/blogs/77147/