Турбулентность обычно выглядит как хаос: вода закручивается, потоки дробятся на вихри, крупные движения распадаются на все более мелкие, пока энергия не рассеивается. Но за этим хаосом, как считали физики, есть устойчивое правило: в трехмерных потоках энергия идет от крупных вихрей к мелким, а в двумерных – наоборот, от мелких масштабов к крупным.
Исследователи из Питтсбургского университета и Туринского университета показали, что это направление можно менять. Ученые создали теоретическую модель и подтвердили ее экспериментом: в тонком слое воды им удалось получить двухмерную турбулентность, где энергия двигалась “не туда”, куда должна была по классическим ожиданиям.
“Начиная с 1941 года, благодаря работам Андрея Колмогорова, было предсказано движение энергии. В трехмерных потоках, таких как водоемы, энергия перемещается от больших масштабов к меньшим. Для двумерных потоков этот поток меняет направление”, – пояснил один из авторов работы, доцент Питтсбургского университета Лей Фанг.
Чтобы проверить, можно ли изменить это правило, ученые описали поток энергии как механический процесс на основе уравнений Навье-Стокса. Затем они использовали тензорную геометрию – математический способ описывать взаимодействие деформации, напряжения и движения в жидкости.
Эксперимент провели в тонком слое электролита. Поток создавали электромагнитными силами, затем нарушали его массивом стержней, а движение отслеживали по частицам-маркерам. Результаты совпали с компьютерным моделированием: при определенном расположении сил направление передачи энергии в турбулентности действительно менялось.
Авторы считают, что открытие может пригодиться не только в теории. Потенциальные применения – управление перемешиванием жидкостей в микрофлюидных устройствах, моделирование океанических течений, изучение переноса загрязнений у берегов и уточнение климатических моделей. Но пока это фундаментальная работа: до практического “управления океаном” еще далеко.
Теория турбулентности остается одной из самых сложных областей физики. В 1941 году Андрей Колмогоров описал энергетический каскад – переход энергии от крупных движений к мелким в трехмерной турбулентности. Это стало одной из базовых идей для понимания атмосферы, океанов, потоков в трубах, двигателях и природных системах. Новая работа не отменяет всю теорию, но показывает: при специально созданных условиях поток энергии можно перенаправить.
