Хоча порядок часто переходить у хаос, іноді відбувається зворотне. Наприклад, бурхлива рідина, як правило, мимовільно утворює охайний малюнок: паралельні смуги.
Хоча фізики спостерігали це явище експериментально, вони тепер можуть пояснити, чому це відбувається, використовуючи основні рівняння динаміки рідини, наближаючи їх на крок ближче до розуміння того, чому частинки поводяться таким чином.
У лабораторії, коли рідина розміщується між двома паралельними пластинами, які рухаються в протилежних сторонах одна від одної, її потік стає бурхливим. Але через деякий час турбулентність починає згладжуватися смугастим малюнком. Як результат - полотно гладких і турбулентних ліній, що проходять під кутом до потоку (уявіть собі невеликі хвилі, створені вітром у річці).
"Ви отримуєте структуру та чіткий порядок поза хаотичним рухом турбулентності", - сказав старший автор Тобіас Шнайдер, доцент кафедри інженерних наук Швейцарського федерального технологічного інституту Лозанна. Така "дивна і дуже незрозуміла" поведінка "зачаровувала вчених давно-тривалий час".
Фізик Річард Фейнман передбачив, що пояснення потрібно приховувати в фундаментальних рівняннях динаміки рідини, званих рівняннями Нав'є-Стокса.
Але ці рівняння дуже важко вирішити та проаналізувати, сказав Шнайдер в Live Science. (Показано, що рівняння Нав'є-Стокса навіть мають гладке рішення у кожній точці для 3D-рідини - одна з проблем премії за тисячоліття в $ 1 млн.). До цього моменту ніхто не знав, як рівняння передбачили цю поведінку, що формує закономірність. Шнайдер та його команда використовували комбінацію методів, включаючи комп’ютерне моделювання та теоретичні розрахунки, щоб знайти набір «дуже особливих рішень» до цих рівнянь, які математично описують кожен крок переходу від хаосу до порядку.
Іншими словами, вони розбили хаотичну поведінку в не хаотичних будівельних блоках і знайшли рішення для кожного невеликого шматка. "Поведінка, яку ми спостерігаємо, не є загадковою фізикою", - сказав Шнайдер. "Це якось приховано в стандартних рівняннях, які описують потік рідини".
Цю закономірність важливо зрозуміти, оскільки вона показує, як бурхливий і спокійний, інакше відомий як "ламінарний потік", конкурують між собою, щоб визначити його остаточний стан, йдеться у повідомленні. Коли ця картина виникає, турбулентні та ламінарні потоки рівні за силою - жодна сторона не перемагає перетягування війни.
Але ця закономірність насправді не спостерігається в природних системах, таких як турбулентність у повітрі. Шнайдер зазначає, що такий зразок насправді "був би дуже поганим" для літака, оскільки він повинен був пролетіти через ешафот кумедних бурхливих, а не турбулентних ліній.
Скоріше, головною метою цього експерименту було зрозуміти фундаментальну фізику рідин у контрольованому середовищі, сказав він. Лише розуміючи дуже прості рухи рідин, ми можемо почати розуміти більш складні системи турбулентності, які існують скрізь навколо нас, від потоку повітря навколо літаків до внутрішньої частини трубопроводів, додав він.
Свої висновки дослідники опублікували 23 травня в журналі Nature Communications.
