Вы летите на самолёте, как вдруг ощущаете внезапный толчок.
За окном вроде бы ничего не происходит,
но самолёт, а вместе с ним вас и других пассажиров начинает трясти,
ведь он пролетает через зону турбулентности в атмосфере.
Вряд ли вас это успокоит,
но данное явление — одна из неразгаданных тайн физики.
Спустя почти век с начала изучения турбулентности
нам удалось получить лишь немного ответов на вопрос о природе
и влиянии этого явления на окружающий нас мир.
И тем не менее, турбулентность можно повстречать повсюду,
и возникает она практически в любой системе, содержащей движущиеся жидкости.
К ним относятся и поток воздуха в дыхательных путях,
и циркуляция крови в артериях,
и даже кофе в чашке, когда вы размешиваете там сахар.
Турбулентность не только управляет облаками,
волнами, бьющими о берег, но даже потоками плазмы солнечного ветра.
Понимание, что в точности представляет собой данное явление,
будет иметь практическое значение для очень многих аспектов нашей жизни.
Вот что известно на данный момент.
Жидкости и газы обычно способны перемещаться двумя способами:
устойчивым и плавным ламинарным течением
и турбулентным течением, состоящим из, казалось бы, неупорядоченных вихрей.
Представьте себе дымящуюся ароматическую палочку.
Ламинарное течение дыма у его основания плавно и предсказуемо.
Однако ближе к его верхней части
дым ускоряется и становится неустойчивым,
а его движения — хаотичными.
Это и есть турбулентность в действии,
и у любого турбулентного движения имеются характерные черты.
Во-первых, турбулентность всегда хаотична.
Это не означает, что она случайна.
Скорее, это значит, что турбулентность чрезвычайно чувствительна к помехам.
Любое воздействие на неё
так или иначе в итоге приводит к совершенно различным результатам.
Поэтому, даже обладая большим объёмом данных о текущем состоянии системы,
совершенно невозможно предсказать, что в ней произойдёт.
Ещё одним важным свойством турбулентности
является различие в масштабах движения, обнаруживаемого в этих потоках.
В турбулентных потоках существует много течений, называемых вихрями,
которые похожи на воронки различных размеров и форм.
Все эти различной величины вихри взаимодействуют друг с другом,
постепенно распадаясь и уменьшаясь в размерах,
пока вся кинетическая энергия не перейдёт в тепловую
в ходе процесса под названием энергетический каскад.
Так турбулентность проявляется,
но почему же она происходит?
На каждую текучую жидкость или газ действуют две противоположные силы —
инерция и вязкость.
Инерция — это стремление жидкости продолжать течь,
что вызывает неустойчивость.
Вязкость сопротивляется изменениям,
создавая при этом ламинарное течение.
У таких густых жидкостей, как мёд,
вязкость почти всегда преобладает.
Менее вязкие вещества, такие как вода или воздух, более склонны к инерции,
которая создаёт неустойчивости, переходящие в турбулентность.
Положение этого показателя для жидкости в широком диапазоне величин
называется числом Рейнольдса,
которое характеризуется отношением инерционных сил к вязким силами трения.
Чем выше число Рейнольдса,
тем более вероятно возникновение турбулентности.
Например, число Рейнольдса
переливаемого в чашку мёда равно примерно 1.
А в случае воды число Рейнольдса будет порядка 10 000.
Число Рейнольдса полезно для понимания простых явлений,
но малоэффективно во многих других ситуациях.
Например, на движение воздуха существенно влияют такие факторы,
как гравитация и вращение Земли.
Или же возьмите относительно простую турбулентность от зданий или автомобилей.
Мы можем моделировать эти условия при помощи опытов и эмпирических данных.
Но физики хотят предсказывать их посредством законов и уравнений
точно так же, как рассчитывать орбиты планет или электромагнитные поля.
Большинство учёных считает, что для этого потребуются статистические данные
и увеличение вычислительных мощностей компьютеров.
Сверхскоростные компьютерные симуляции турбулентных потоков
могут помочь определить закономерности, на основании которых можно создать теорию,
упорядочивающую и унифицирующую прогнозы для различных ситуаций.
Другие учёные полагают, что данное явление настолько сложно,
что его полноценная теория никогда не станет возможна.
Остаётся надеяться, что мы продвинемся в понимании природы турбулентности,
потому что полное понимание окажет огромное положительное влияние.
Оно позволит строить более энергоэффективные ветряные электростанции,
а также лучше противостоять катастрофическим погодным катаклизмам
или даже научиться отводить ураганы.
Ну и, конечно же, полёты для миллионов пассажиров станут гораздо приятнее.