Международная группа физиков показала, что классическая теория турбулентности, созданная Андреем Колмогоровым в 1941 году, применима и к потокам, которые возникают вокруг поднимающихся пузырьков. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters (PRL).
Турбулентность, вызванная пузырьками, встречается в самых разных системах — от газированных напитков и промышленных смесителей до океанских волн. Когда пузырьков становится много, их следы начинают перемешивать жидкость в сложный вихревой поток. До сих пор оставалось открытым, описывает ли «масштабирование Колмогорова» (K41) такое движение.
Чтобы получить однозначный ответ, ученые из Университета Джонса Хопкинса и Университета Дьюка применили 3D-метод слежения одновременно за пузырьками и частицами воды. В вертикальную колонну шириной 11,5 см подавались контролируемые потоки пузырьков, а четыре высокоскоростные камеры фиксировали происходящее с частотой 2500 кадров в секунду.
Оказалось, что в ряде случаев — при среднем размере пузырьков (3–5 мм) и умеренной их плотности — мелкомасштабная динамика воды действительно совпадала с предсказаниями Колмогорова: энергия крупного вихря передавалась меньшим, пока не исчезала за счет вязкости. Впервые это удалось подтвердить в условиях «роя пузырьков» напрямую в эксперименте.
Физики также предложили формулу, которая описывает скорость затухания турбулентности и зависит всего от двух параметров: размера пузырька и плотности их потока. Она хорошо согласуется с измерениями.
Авторы подчеркивают, что идеально «чистого» колмогоровского каскада в пузырьковых потоках получить нельзя: слишком большие пузырьки в реальности распадаются. Тем не менее, в определенных условиях классическая теория работает удивительно хорошо.
Ранее математики нашли форму Вселенной.