Ученые исследовали масштабируемость турбулентности в активной среде
Хаотические потоки в активных нематических жидкостях описываются специфическими законами масштабирования. Об этом 2 апреля сообщается в статье, опубликованной в журнале «Физика природы» («Nature Physics»).
Исследование, выполненное посредством крупномасштабного моделирования, провели ученые из Университета Барселоны, Принстонского университета и «Коллеж де Франс».
Изучалось поведение двумерной активной жидкости при низком числе Рейнольдса. Ранее было показано наличие в них турбулентных потоков, но существование универсальных масштабирующих свойств в этих потоках оставалось неясным.
Под активной жидкостью в данном контексте понимается плотно упакованная среда, составные элементы которой могут самостоятельно двигаться. Это могут быть бактериальные суспензии, монослои эпителиальных клеток, а также смеси определенных биополимеров или молекулярных моторов, например, микротрубочек в живой клетке. Их движение может быть хаотичным, но из-за вязкости в нем образуются такие же хаотичные турбулентные потоки, которые, тем не менее, обладают универсальными статистическими свойствами.
Авторы исследования в предисловии указывают, что их работа в каком-то смысле является изучением применимости закона масштабирования, выведенного великим советским математиком Андреем Николаевичем Колмогоровым в 1941 году для классической турбулентности поведения активной жидкости.
В отличие от классической системы, где спектр кинетической энергии демонстрирует универсальное масштабирование E (q) ~ q в степени − 5/3, для активных сред — это масштабирование выглядит как E (q) ~ q в степени -1.
И в отличие от инерционной турбулентности, энергия полностью рассеивается в масштабе, где она вводится, тем самым исключая каскады энергии.
На основании этого авторы делают вывод о том, что активные нематические жидкости определяют четкий класс универсальности турбулентности при малых числах Рейнольдса.
Напомним, ещё в конце тридцатых годов Колмогорова заинтересовали проблемы турбулентности. В своих работах он создал теорию так называемой локально-изотропной турбулентности, которая позволила выяснить масштабируемую структуру развития турбулентного потока. В 1946 году Колмогоров организует лабораторию атмосферной турбулентности в Геофизическом институте АН СССР.
Число Рейнольдса (названое так в честь выдающегося английского физика Осборна Рейнольдса (1842—1912), внесшего большой вклад в развитие гидродинамики) характеризует отношение инерционных сил к силам вязкого трения в жидкостях или газах. При малых числах Рейнольдса поток движется ровно, или, как говорят в науке, поток ламинарный. При увеличении числа Рейнольдса все большую роль начинает играть вязкость, и поток становится турбулентным — образуются вихри и воронки.
