Плотность газа при слабой турбулентности с малыми амплитудами звуковых волн и при сильной турбулентности, где акустическая турбулентность формируется из случайных ударных волн.
Турбулентность — это хаотическое поведение жидкостей, газов или нелинейных волн в разных физических системах. Примеры турбулентности: волны на поверхности океана от ветра и течений, рассеяние света линзами в оптике, распространение звуковых волн в жидком сверхтекучем гелии.
В 1970-х годах учёные СССР предположилиВысокие амплитуды звуковых волн (отклонения от положения равновесия) приводят к возникновению звуковой турбулентности. Теория волновой турбулентности применима для различных волновых систем, таких как магнитогидродинамические волны в ионосферах звезд и планет-гигантов, а также, возможно, гравитационные волны в ранней Вселенной. Ранее предсказание распространения нелинейных (хаотично движущихся) звуковых и других волн было затруднено из-за большой вычислительной сложности.
Ученые из Сколковского института науки и технологий (Сколково), Института электрофизики Уральского отделения РАН (Екатеринбург) и Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (Москва) впервые нашлиЧисловое моделирование уравнения распространения звуковых волн в турбулентных средах позволило подтвердить теорию советских учёных.
Исследователи проверили свой вывод, проследив распределение звуковых волн в нелинейной среде, напоминающей жидкий сверхтекучий гелий, при температуре около -270°C. Выбор этого газа обусловлен тем, что при таких условиях он приобретает свойства квантовой жидкости. Такая жидкость обладает сверхтекучестью и сверхпроводимостью, благодаря чему ее применяют в сверхпроводниках. В настоящее время сверхпроводники используются в квантовых компьютерах, магни trenes (в Китае и Японии) и других высокотехнологичных устройствах. Сверхтекучий гелий также находит применение в ядерной энергетике.
Подтверждение теории турбулентности на примере звуковых волн – важное открытие, сравнимое с таблицей Менделеева. Теория волновой турбулентности играет роль самой таблицы, а каждый тип турбулентности (звуковая, гравитационная, магнитногидродинамическая) соответствует элементу системы, свойства которого полностью описываются положением в таблице и очень точно предсказываются с её помощью. Теорию турбулентности можно применить к любой волновой системе: например, численное решение уравнений для морских волн уже входит в глобальные метеорологические модели прогнозирования погоды и изменений климата. Таким образом, с учётом теории турбулентности прогнозы погоды станут точнее.
Разгадка природы турбулентности — одна из важнейших нерешенных задач современной физики. С развитием теории турбулентности стало возможным с хорошей точностью предсказывать погоду. Планируется исследовать другие волновые системы, например, океанические волны большой амплитуды. У звуковых волн и волн на поверхности океана много общего. При больших амплитудах морские волны могут опрокидываться. Этот процесс во многом похож на формирование акустической ударной волны. При опрокидывании волн возникают большие плотности энергии или давления. Гипотеза гласит, что подобные коллапсы различной природы приводят к появлению турбулентности. — рассказывает Евгений Кочурин, кандидат физических наук, старший научный сотрудник лаборатории нелинейной динамики Института электрофизики Уральского отделения РАН и научный сотрудник Лаборатории интегрируемых систем и турбулентности Центра перспективных исследований имени И.М. Кричевера Сколтеха, участник проекта, поддержанного грантом РНФ.
Пресс-служба Российского научного фонда предоставила информацию и фотографии.