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从混沌中出现秩序的趋势隐藏在流体力学最基本的方程中

湍流有时形成一种有序的模式。EPFL)

虽然秩序往往会演变成混乱,但有时恰恰相反。例如,湍流流体有一种自发形成整齐图案的趋势:平行条纹。

虽然物理学家已经通过实验观察到了这种现象,但他们现在可以用基本流体动力学方程解释为什么会发生这种情况,使他们更接近理解粒子为什么会以这种方式运动。[物理学中最大的未解之谜]

在实验室里,当一种流体被放置在两个平行板之间,两个平行板彼此朝相反的方向运动时,它的流动就会变得湍流。但过了一段时间,湍流开始以条纹状平滑。瑞士联邦理工学院工程学院助理教授托比亚斯·施奈德(Tobias Schneider)说,结果是一幅平滑的、紊流的线条与水流成一个角度(想象一下微风在河流中产生的波浪)。

“你可以从紊流的混乱运动中获得结构和清晰的秩序。”洛桑科技。这种“怪异而晦涩”的行为“使科学家们着迷了很长一段时间。”

物理学家理查德·费曼预言,这种解释必须隐藏在流体动力学的基本方程中,称为Navier-Stokes方程。

但是这些方程很难求解和分析,施耐德告诉现场科学。(显示Navier-Stokes方程在三维流体的每个点上都有一个光滑的解是价值100万美元的千年奖问题之一)因此直到现在,还没有人知道这些方程是如何预测这种模式形成行为的。施耐德和他的团队使用了多种 ... ,包括计算机模拟和理论计算,找到了这些方程的一组“非常特殊的解”,数学上描述了从混沌到有序转变的每一步。

换句话说,他们将混沌行为分解成非混沌的积木,并为每一小块找到解决方案。“我们观察到的行为并不是神秘的物理学,”施耐德说它以某种方式隐藏在描述流体流动的标准方程中。

这种模式很重要,因为它显示了湍流和平静,也就是所谓的“层流”,如何相互竞争以确定其最终状态,根据一项声明。当这种模式出现时,湍流和层流在强度上是相等的,没有一方能赢得拔河比赛。

,但这种模式在自然系统中并不常见,例如空气中的湍流。施耐德指出,这样的模式实际上对飞机来说“相当糟糕”,因为它必须穿过一个由颠簸的湍流而非湍流线组成的支架。

更确切地说,这项实验的主要目标是了解受控环境中流体的基本物理,他说。只有了解流体的非常简单的运动,我们才能开始了解在我们周围到处存在的更复杂的湍流系统,从飞机周围的气流到管道内部,他补充道:

研究人员于5月23日在《自然通讯》杂志上发表了他们的研究成果。

是7个经典玩具的酷物理在世界顶尖的物理实验室里,你可以通过8种方式在现实生活中看到爱因斯坦的相对论

最初发表在《生活科学》上。

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