Wprowadzenie
Meduzy, które poruszają się po morzach, delikatnie pulsując swoimi workowatymi ciałami, mogą nie mieć wielu tajemnic, które mogłyby zainteresować ludzkich inżynierów. Choć te stworzenia są proste, meduzy są mistrzowskie w ujarzmianiu i kontrolowaniu przepływu wody wokół nich, czasem z zaskakującą skutecznością. Jako takie zawierają wyrafinowane rozwiązania problemów z zakresu dynamiki płynów, z których mogą uczyć się inżynierowie, matematycy i inni profesjonaliści. Johna Dabiriego, ekspert w dziedzinie inżynierii mechanicznej i lotniczej z Kalifornijskiego Instytutu Technologii, rozmawia w tym odcinku ze Stevenem Strogatzem o tym, czego meduzy i inne stworzenia wodne mogą nas nauczyć na temat projektowania łodzi podwodnych, optymalnego rozmieszczenia turbin wiatrowych i zdrowego ludzkiego serca.
Nasłuchiwać Podcasty Apple, Spotify, Podcasty Google, Stitcher, Dostroić lub swoją ulubioną aplikację do podcastów, lub możesz przesyłaj strumieniowo z Quanta.
Transkrypcja
Stevena Strogatza (00:03): Jestem Steve Strogatz, a to jest to Radość dlaczego, podcast z Magazyn Quantaktóra zabierze Cię w niektóre z największych pytań bez odpowiedzi w matematyce i nauce.
(00:14) Ludzie mówią, że biologia jest świetnym nauczycielem dla inżynierów. Pomyśl tylko, czego szybujący orzeł może nas nauczyć o aerodynamice. Mój dzisiejszy gość pomyślał, że meduza byłaby pouczającą rzeczą do studiowania na letni staż w inżynierii. A lata później nadal bada meduzy w poszukiwaniu bogactwa informacji, które mają do zaoferowania na temat dynamiki płynów, o której mowa w tym odcinku.
(00:36) Czego ruch meduz i ławic ryb może nas nauczyć o ruchu powietrza, wody, a nawet krwi? Studiując matematykę tego, jak ławice ryb poruszają się zgodnie, nasz dzisiejszy gość był w stanie dowiedzieć się, jak rozmieścić turbiny wiatrowe, aby wydajniej generować czystą energię. Ale to nie wszystko. Okazuje się, że sposób pływania meduzy może nas nawet informować o stanie zdrowia ludzkiego serca. A meduzy nauczyły nas nowych sztuczek dotyczących napędu podwodnego, które mogą być pomocne w nowej generacji projektów łodzi podwodnych. Ale niech nasz gość John Dabiri powie nam więcej. Jest profesorem inżynierii mechanicznej i lotniczej w Caltech. wygrał Nagroda Watermana w 2020 r. najwyższe odznaczenie w kraju dla początkujących naukowców i inżynierów. Jest także członkiem prezydenta Bidena Rada Doradców ds. Nauki i Technologii. Witamy, profesorze Johnie Dabiri.
Johna Dabiriego (01:31): Dzięki, Steve. Świetnie jest tu być.
Strogatz (01:33): To naprawdę wielka przyjemność gościć cię tutaj. Znamy się od jakiegoś czasu, ale chyba nie mieliśmy okazji wcześniej porozmawiać o zakupach, więc jestem tym podekscytowany. Wiesz, muszę przyznać, że chociaż będziemy dużo z tobą rozmawiać o meduzach, nigdy nie trzymałem meduzy, nigdy nie zostałem użądlony przez meduzę.
dabiri (01:51): Przegrywasz. Zrobiłem jedno i drugie.
Strogatz (01:55): Jak to? Jakie było twoje bliskie spotkanie z meduzami, które wiązało się z kłuciem?
dabiri (02:00): Cóż, wiesz, właściwie to była sesja zdjęciowa, którą robiłem dla magazynu, a fotograf pomyślał, że byłoby miło, gdybym podszedł bliżej i osobiście do moich fotografowanych. Wciągnął mnie więc do wody i kazał trzymać galaretkę. A tymczasem jego macki zaczęły kapać na moje nogi. Więc to była bardzo bolesna sesja zdjęciowa, ale udało się.
Strogatz (02:21): Czy krzywisz się na zdjęciu?
dabiri (02:23): Wiesz, jakoś udało im się sprawić, że wygląda to tak, jakbym się uśmiechał i cieszył się tym wszystkim, mimo że było to dość żałosne.
Strogatz (02:29): Cóż, przykro mi, nie będziemy cię dzisiaj na to narażać.
dabiri (02:31): Dziękuję, dziękuję.
Strogatz (02:33): Więc kiedy widzę pływające meduzy w programach telewizyjnych Davida Attenborough lub innych programach przyrodniczych, wyglądają prawie jak worek, jak celofanowy worek popychany przez wodę . Ale wiem, że to nie może być prawda. Nie są tylko biernymi pływakami. Więc możesz nam trochę powiedzieć? Jak się poruszają? Czy mają mięśnie?
dabiri (02:52): Tak, meduzy są pierwszymi znanymi nam zwierzętami, które potrafią poruszać się w oceanie. To pływanie, które widzisz w tych filmach dokumentalnych, jest napędzane przez pojedynczą warstwę komórek. Pomyśl o bardzo cienkiej warstwie mięśni, która jest w stanie kurczyć się i rozszerzać w rytmie zbliżonym do bicia serca. A to pozwala im poruszać się po oceanie.
Strogatz (03:13): Więc kiedy mówisz o rytmie, myślę, że oni też muszą mieć układ nerwowy kontrolujący mięśnie.
dabiri (03:20): W rzeczywistości meduzy w ogóle nie mają ośrodkowego układu nerwowego. Oni też nie mają mózgu. Wszystko, co mają, to te małe skupiska komórek wokół ich ciała, które mówią im, kiedy rozpalić mięśnie, a kiedy się skurczyć. Więc używają tych mięśni do koordynowania ruchu pływackiego w sposób, który bardzo różni się od tego, jak ty i ja się poruszamy.
Strogatz (03:39): Aha. Więc to jest… Jest dzwonek, prawda? Rozmawiają o dzwonku. Co oznacza dzwonek?
dabiri (03:42): Zgadza się. Więc jeśli spojrzysz na meduzę w akwarium, wygląda ona jak parasol lub torba, jak powiedziałeś. A wokół dolnej krawędzi tego parasola jest kilka skupisk, zazwyczaj około ośmiu. I to są miejsca, w których ciało wysyła sygnały do pływania, do skurczu mięśnia. I tak, koordynując te kurczące się sygnały, są w stanie pływać w wodzie przy bardzo niskim zużyciu energii w tym procesie.
Strogatz (04:12): Tak, zdecydowanie nie mogę się z tym utożsamiać, kiedy myślę o własnym pływaniu, które jest takie niezręczne i pochłania dużo — i marnuje dużo energii. Więc o czym tu mówisz? Mówisz, że są bardzo skutecznymi pływakami? Co masz na myśli?
dabiri (04:27): Wiemy, że meduzy były jednymi z pierwszych zwierząt, które pływały ponad 200 milionów lat temu. Przeżyły masowe wymieranie. I tak przez długi czas uważano, że w ich zdolności do wydajnego poruszania się musi być coś, co pozwoliło im przetrwać tak długo w oceanach, przetrwać nawet w obliczu bardziej egzotycznych pływaków, takich jak delfiny i rekiny, te o których możesz pomyśleć, gdy myślisz o doskonałym pływaku.
(04:53) Okazuje się, że bardzo prosty kształt tych galaretek, prosty parasol, tworzy tak zwane pierścienie wirowe. Pomyśl o pączku z wirującą wodą. Więc za każdym razem, gdy zwierzę napina mięśnie, tworzy pączek z wodą. I prawie odpycha się od tego pączka wirującej wody, aby poruszać się w wodzie bez konieczności zużywania dużej ilości energii w tym procesie. Jest to więc zupełnie inny styl pływania niż ten, który ty lub ja byśmy spróbowali osiągnąć w oceanie, ale jest całkiem skuteczny.
Strogatz (05:25): Nagle przychodzi mi do głowy pewien obraz. Powiedz mi, czy jestem na złej drodze z tym, czy nie. Ale jako dziecko na letnim obozie pamiętam, jak pływałem kajakiem. I kazaliby nam włożyć wiosło do wody. I powiedziano mi, żebym wykonał ruch J, w którym odpychasz wiosłem, a następnie zaginasz je do tyłu. Mogliście zobaczyć małe wiry, małe wiry wody, wychodzące z tego.
dabiri (05:46): Zgadza się.
Strogatz: To uderzenie, czy ma to związek z tym, o czym mówisz z wirami?
dabiri (05:50): Jest. Tak więc w całym oceanie, nawet teraz, kiedy do was mówię, moje usta przepychają powietrze wokół mnie i tworzą wirujące prądy, które nazywamy wirami. Więc kiedy pływasz, tworzysz te wiry. To wiosło kajakowe tworzy te wirujące wiry. To, co wyróżnia meduzy w ich pierścieniach wirowych, to to, że mają ten prawie idealny okrągły kształt. A ten okrągły kształt pozwala im pływać z wydajnością lepszą niż to, co ty lub ja jesteśmy w stanie wygenerować, gładząc naszymi ramionami lub wiosłem kajakowym. Więc to naprawdę kształt tych wirów, tych wirujących prądów, jest kluczem do ich bardzo wydajnego pływania. I to właśnie przez długi czas staraliśmy się zrozumieć, odkrywając tajemnicę, w jaki sposób te zwierzęta przetrwały tak długo w oceanie. To naprawdę te okrągłe pierścienie wirowe są kluczem.
Strogatz (06:41): Zobaczmy więc, czy mam ten obraz w głowie. Kiedy mówisz o okrągłym pierścieniu wirowym, teraz inny obraz, który przychodzi ci na myśl, to… nie… Ludzie nie palą tak dużo jak kiedyś, ale wiesz, dokąd zmierzam, prawda? Na przykład są faceci, którzy palą cygara lub ludzie, którzy dmuchają w kółka z dymu.
dabiri (06:57): Dokładnie.
Strogatz: Czy to rodzaj koła, które powinienem sobie wyobrazić na czyichś zaokrąglonych ustach?
dabiri (07:02): Absolutnie. Kiedy ja, kiedy uczyłem, to był przykład, którego używałem klasycznie (ale teraz staramy się zniechęcić do palenia lub waporyzacji). Ale jeśli wyobrażasz sobie nietoksyczną wersję tego przykładu, masz całkowitą rację. To te pierścienie dymu, które ludzie mogliby wydmuchać, wyglądają jak pączek powietrza i wirują, i utrzymuje ten okrągły kształt na duże odległości od osoby, która go wydmuchała.
(07:23) Być może inną wersją tego jest to, że czasem zobaczysz delfiny robiące to w oceanie, bawiące się bąbelkowymi pierścieniami, które mają podobny do nich kształt. To pączek z wodą z powietrzem uwięzionym w środku. Sposób, w jaki delfiny są w stanie utrzymać te pierścienie w tym przypadku, wynika ze stabilności tego szczególnego rodzaju wirującego prądu. Jest naprawdę wyjątkowy w dynamice płynów.
Strogatz (07:47): W porządku, tak zabawnie jest rozmawiać o meduzach, i trzeba przyznać, że są bardzo fajne i wydajne. Ale dla tych słuchaczy, którzy mogą się zastanawiać, dlaczego poświęcamy im tyle wysiłku? Pomóż nam zrozumieć szerzej. O co chodzi w dynamice płynów? Gdzie ma to zastosowanie w pozostałej części nauki lub technologii?
dabiri (08:09): Tak, więc dynamika płynów jest wszędzie wokół nas. W rzeczywistości dla mnie jednym z naprawdę ekscytujących obszarów zastosowań, dorastając jako aspirujący inżynier mechanik, było myślenie o bardziej efektywnych rakietach i helikopterach — ogólnie o układach napędowych. Wiemy, że ta dziedzina dynamiki płynów, badanie ruchu powietrza i wody, jest naprawdę skomplikowana pod względem ruchu wody lub powietrza, pod względem tego, jak próbujemy to opisać za pomocą fizyki. I tak, kilka dekad temu, pojawił się ruch, który powiedział: Dlaczego nie badamy niektórych systemów zwierzęcych, które już to rozgryzły, zorientowały się, jak efektywnie pływać lub jak efektywnie latać? W rzeczywistości możesz cofnąć się o wieki do Leonarda da Vinci i spróbować zrozumieć, jak rozwinąć lot napędzany przez człowieka, patrząc na ptaki. Tak więc istnieje długa spuścizna studiowania systemów naturalnych, aby uzyskać inspirację do opracowania bardziej efektywnych technologii. W ten sposób wszedłem na boisko.
(08:29) Okazuje się, że nawet bardzo proste zwierzę, takie jak meduza, może nas wiele nauczyć, ponieważ w tak elegancki sposób wchodzą w interakcje z wodą. I to właśnie skłoniło nas do badania meduz, w szczególności w tej szerszej dziedzinie, zwanej czasami biomimetyką lub inżynierią inspirowaną biologią. Patrząc na biologię, aby znaleźć rozwiązania dla wyzwań inżynierskich.
(09:08) Ale meduza powstała tak naprawdę z mojego pragnienia wymyślenia wygodnego letniego projektu. Byłem tutaj w Caltech na letnim projekcie badawczym i mój doradca powiedział: „Chodźmy do akwarium i spróbujmy znaleźć system zwierzęcy do zbadania” w taki sam sposób, w jaki ja w latach studenckich studiowałem helikoptery i rakiety. Szczerze mówiąc, nie byłem tym zachwycony. W tamtym czasie myślałem, że przyjeżdżam do Caltech, aby studiować rakiety i napęd. Caltech ma Jet Propulsion Laboratory, z którego słynie. Ale dotarliśmy do akwarium i pomyślałem: „Cóż, mam tu 10-tygodniowy projekt. Pozwól mi wybrać najprostsze zwierzę, jakie mogę znaleźć. Wiesz, powinno być łatwiej wymyślić prosty model. I tak meduza wydawała się łatwym wyjściem. I oczywiście jesteśmy 20 lat później, a ja wciąż próbuję zrozumieć, jak one działają.
Strogatz (10:17): Muszę przyznać, że jako matematyk zawsze pociągała mnie dynamika płynów, ponieważ jest bardzo trudna. Niektóre z najtrudniejszych problemów matematycznych, z jakimi mieliśmy do czynienia w obszarze, który mnie interesuje, w równaniach różniczkowych, pojawiły się po raz pierwszy w związku z zagadnieniami dynamiki płynów. Więc wspomniałeś - OK, więc rakiety, napęd odrzutowy dla - moglibyśmy pomyśleć o samolotach, są zastosowania medyczne -
Dabiri (10:42): Absolutnie. Właśnie wyszliśmy z Covid [Covid-19]. Mam na myśli bardzo aktualny przykład: pytania dotyczące przenoszenia Covida w rzeczywistości były pytaniami z zakresu dynamiki płynów. Jak powstają aerozole? Jak są przekazywane? W jaki sposób są zbierane na innych osobach? Jeśli chcę zaprojektować maskę, jaki jest na to skuteczny sposób? W przypadku zmian klimatycznych modelowanie klimatu Ziemi jest w dużej mierze problemem dynamiki płynów. Dynamika płynów pojawia się we wszystkich aspektach naszego życia.
(11:11) Myślę, że to, co jest naprawdę ekscytujące w tym badaniu systemów zwierzęcych, to fakt, że z mojej perspektywy, jeśli budujesz samolot, to człowiek siada przed komputerem i próbuje rozwiązać te bardzo złożone równania, które opisałeś, aby dowiedzieć się, jaki jest idealny kształt skrzydła, jaki jest idealny kształt reszty samolotu. W pewnym sensie meduzy codziennie rozwiązują równania różniczkowe cząstkowe, płynąc w wodzie.
(11:35) Musimy więc dokładnie dowiedzieć się, co takiego jest w ich pływaniu, że pozwala im dojść do konkretnego rozwiązania tych równań różniczkowych. A potem mamy nadzieję, że możemy zastosować to do naszych własnych problemów projektowych, w których nie mamy takich samych ograniczeń jak meduzy w ewolucji. Mamy mózg, ośrodkowy układ nerwowy i więcej niż pojedynczą warstwę komórek mięśniowych. Mamy opracowane materiały, z którymi możemy pracować. Teraz mamy sztuczną inteligencję do pracy. Jeśli więc połączymy naszą wiedzę o meduzach ze wszystkimi narzędziami, którymi dysponujemy jako inżynierowie, naprawdę nie ma granic tego, co możemy opracować.
Strogatz (12:09): Przejdźmy więc do pytania, jak meduzy to robią. Jakie rodzaje eksperymentów przeprowadziłeś, aby dowiedzieć się, w jaki sposób wykorzystują pierścienie wirowe, które generują, gdy kurczą swój dzwon?
dabiri (12:21): Pierwszym wyzwaniem, z którym należy się zmierzyć, jest fakt, że woda i powietrze są przezroczyste. Więc nawet kiedy siedzimy tutaj i rozmawiamy ze sobą, powietrze wokół nas jest w ciągłym ruchu z powodu naszego oddychania. Naprawdę nie możemy tego dostrzec. To samo dzieje się w wodzie. Jeśli idziesz do akwarium, dla ciebie główną atrakcją są prawdopodobnie zwierzęta, ale dla mnie to otaczająca je woda. Problem polega na tym, że nie można łatwo zobaczyć tego ruchu wody, patrząc tylko na zbiornik. Więc opracowaliśmy nowe technologie, które pomogą nam zmierzyć wodę otaczającą zwierzęta.
(12:53) Pierwszą rzeczą, którą można zrobić, to dodać barwnika do wody, na przykład barwnika spożywczego, ponieważ to pokaże, jak lokalnie transportowana jest woda. To obraz jakościowy. Daje to coś w rodzaju ogólnego opisu, ale nie jest to coś, na czym można łatwo umieścić liczby, aby powiedzieć, że woda porusza się tak szybko w tym kierunku.
(13:11) Ale możemy użyć pewnych technik, które są powszechne w inżynierii. Używając laserów, np. Tak więc w wodzie znajdują się małe, zawieszone cząsteczki — pomyśl o piasku lub mule zawieszonym w wodzie. Możemy to oświetlić arkuszami laserowymi. Weź wskaźnik laserowy, który możesz mieć w domu, i prześwietl go przez szklany pręt, a wiązka rozłoży się na cienką warstwę światła. Więc przepuściliśmy ten arkusz światła przez wodę. Odbija się od wszystkich zawieszonych cząstek, które są w wodzie. A teraz możemy śledzić każdą z tych małych cząstek, prawie jak poruszająca się gwiaździsta noc. Tak mniej więcej wyglądają filmy. A każda z tych gwiazdek, tych cząsteczek osadu w wodzie, mówi nam coś o tym, jak woda porusza się lokalnie wokół zwierzęcia.
(13:56) Więc opracowaliśmy te techniki w laboratorium. Wielkim wyzwaniem jest więc znalezienie meduz w terenie i zmierzenie ich. Miałem szczęście znaleźć uczniów, którzy chcieli popływać z meduzami i zabrać ze sobą lasery.
Strogatz (14:10): Ale… pozwólcie, że zajmę się tym… Możesz wziąć wskaźnik laserowy lub cokolwiek innego pod wodę i nie ma problemu.
dabiri (14:15): Cóż, więc to było częścią — ucznia, Kakani [Katija] było jej imię. Jej doktorat Naszym zadaniem było opracowanie technologii, która pozwoli nam to zrobić. Aby płetwonurek mógł wejść do oceanu, podejdź bardzo ostrożnie do tych meduz, a następnie włącz laser i zmierz wodę wokół nich. I okazuje się, że udało jej się po raz pierwszy uchwycić wirujące prądy z naprawdę wyjątkowymi szczegółami.
Strogatz (14:42): A czy jest też jakaś konfiguracja kamery wideo?
dabiri (14:45): Jest. W rzeczywistości ta technologia obrazowania jest w dużej mierze oparta na wideo. Dostajesz więc film przedstawiający poruszającą się wodę, cząstki osadu odbijające światło lasera. Obserwując, jak w miarę upływu czasu porusza się woda wokół zwierzęcia, możemy stwierdzić, że w niektórych przypadkach zwierzęta nie wkładają w wodę tak dużo energii, aby się poruszać. Nazywamy to efektywnym ruchem. Kiedy mogą poruszać się do przodu bez konieczności mieszania dużej ilości wody wokół nich.
(15:12) Co ciekawe, niektóre gatunki meduz rzadko pływają, ale kiedy już to robią, to w trybie przetrwania, aby uciec przed drapieżnikiem lub złapać zdobycz. W takich przypadkach włożą do wody naprawdę dużo energii. Naszym zdaniem na ten temat jest to, że jest to kwestia przetrwania. Nie martwisz się tak bardzo o wydajność, gdy musisz zabić lub zostać zabitym. W takich przypadkach jesteśmy również w stanie zobaczyć różnicę w wodzie wokół zwierząt, wszystkie uchwycone tą techniką laserową.
Strogatz (15:41): OK, może zdjęcie całej mojej celofanowej torby jest po prostu złe i muszę to wyrzucić z głowy, ale wydaje mi się, że napotkałoby to tyle trudności, nawet jeśli ma ładną, skoordynowany ruch. Musi być jakaś sztuczka w sposobie, w jaki zachowują się te pierścienie wirowe, aby ruch był tak wydajny, jak jest. Czy twoje pomiary ujawniły coś zaskakującego lub trudnego, co robią meduzy?
dabiri (16:05): Tak, to świetne pytanie. Można o tym pomyśleć na kilka sposobów. Przede wszystkim powinienem cofnąć się i powiedzieć, że jeśli chodzi o zachowanie meduz, jedną z różnic między tym, co robią naturalnie, a tym, o czym moglibyśmy pomyśleć w naszych własnych łodziach podwodnych, meduzy używają tych samych prądów do odżywiania się. Kiedy tworzą te pierścienie wirowe, ten wirujący prąd faktycznie przyciąga ofiarę w kierunku ich macek, gdzie zostaje schwytana i zjedzona.
(16:30) Jest więc bardzo prawdopodobne, że w rzeczywistości ruch, który widzimy — przemieszczanie się z punktu A do punktu B — nie jest pożądanym rezultatem. To po prostu nieunikniona konsekwencja praw akcji i reakcji Newtona. W niektórych przypadkach zwierzęta tworzą te pierścienie wirowe tylko po to, by przyciągnąć zdobycz. Ale ponieważ pchają tę wodę, reakcją jest to, że poruszają się w tym procesie. I tak dla nich ten sprawny ruch niekoniecznie polega na tym, żeby się gdzieś spieszyć.
(16:59) Gdzie udało nam się powiedzieć: „Weźmy ten sam pomysł, formację pierścienia wirowego. Nasza łódź podwodna nie musi żywić się w taki sam sposób jak meduzy”. I tak możemy jechać szybciej, na przykład, używając tej samej techniki napędowej, mimo że same zwierzęta tego nie robią. To jest naprawdę różnica między rutynowym kopiowaniem biologii, wiesz, cofaniem się do czasów, gdy ludzie próbowali osiągnąć lot napędzany przez człowieka, naprawdę mocno machając skrzydłami. W końcu odnieśliśmy sukces, używając stałych skrzydeł i przyczepiając do tego coś silnik odrzutowy. I to była sztuczka. Dlatego tutaj chcemy być ostrożni, nie tylko ślepo kopiując to, co robią meduzy, ale pytając, jakie aspekty ich zachowania prowadzą do wydajnego napędu. A kiedy chcemy zaprojektować łódź podwodną, która jest szybka i wydajna, możemy odejść od schematu, który dały nam zwierzęta.
Strogatz (17:50): Jeśli chodzi o projektowanie futurystycznych łodzi podwodnych, czy jest jakaś zasada lub obserwacja, którą wyciągnęliśmy z meduzy, która mogłaby zasugerować jakiś nowy, szalony projekt?
dabiri (18:02): Zbadaliśmy to pytanie. I znowu kluczem są te pierścienie wirowe, te wirujące okrągłe prądy w kształcie pączków. Jeśli uda nam się wymyślić projekt łodzi podwodnej, który mógłby je stworzyć, ale nie wymaga to bardzo elastycznego ruchu naturalnej meduzy, to odkryliśmy, że faktycznie może to być ważną wartością dodaną do obecnych projektów łodzi podwodnych. Przetestowaliśmy to w laboratorium. To, co możesz zrobić, to wziąć konwencjonalną łódź podwodną napędzaną śmigłem i dodać mechaniczne mocowanie z tyłu, które zamiast płynnego, ciągłego przepływu strumienia napędzanego z tyłu, tworzy przerywany przepływ. Pomyśl więc o pulsowaniu przepływu za pojazdem. Byliśmy w stanie pokazać, że ten pojazd może być o 30 lub nawet 40% bardziej energooszczędny niż pojazd tego samego typu bez pulsacji w przepływie.
(18:55) Najtrudniejszą częścią jest wymyślenie projektu mechanicznego, który nie jest zbyt skomplikowany. Jeśli sprawisz, że ta część będzie zbyt skomplikowana, będziesz wymieniać te komponenty. W rzeczywistości same te elementy mechaniczne mogą wysysać energię z pojazdu. Dlatego nie byliśmy w stanie wymyślić projektu, który osiąga dynamikę płynów inspirowaną meduzami bez zbyt skomplikowanych elementów mechanicznych. I to była tam nierozwiązana tajemnica.
Strogatz (19:23): Cóż, zanim zostawimy meduzy i ich napęd na — za chwilę chcę przejść do turbin wiatrowych — ale chciałbym porozmawiać trochę więcej o pierścieniach wirowych w królestwie zwierząt. Ponieważ słyszałem od kilku moich kolegów, którzy badają lot owadów, lot kolibrów lub, wiesz, ważki, jastrzębie… Po prostu jest wiele stworzeń, które wykorzystują wiry na różne sposoby. Chociaż wszystkie przykłady, które właśnie wymieniłem, są w powietrzu, a nie w wodzie. Czy możesz powiedzieć nam trochę o różnicach lub podobieństwach między stworzeniami latającymi i… cóż, nie powiem, że wodnymi. Wiesz co mam na myśli? Czy jestem w wodzie czy w powietrzu.
dabiri (20:02): Tak, więc wodne. Tak, i możemy pójść o krok dalej do krwi. Ponieważ w ludzkim sercu ten sam rodzaj wirów tworzy się w lewej komorze, ta natleniona krew, która przechodzi z lewego przedsionka do lewej komory. Dzieje się tak, zanim przejdzie przez resztę ciała. Jest punkt, w którym przechodzi przez zawór, a otrzymasz pierścienie wirowe, które są uderzająco podobne do tego, co tworzy meduza lub kałamarnica. Więc masz absolutną rację, ta pętla wirowa lub motyw pierścienia, czasami bardziej złożone struktury łańcuchowe. Ale w każdym z tych różnych systemów zwierzęcych widzimy, że to się powtarza.
(20:26) Tak więc wiele naszych badań dotyczyło zrozumienia, czy istnieją jakieś podstawowe zasady, których możemy się nauczyć na temat projektowania tych pierścieni wirowych. I okazuje się, że istnieją. Tak więc wszystkie pierścienie wirowe nie są tworzone w ten sam sposób, w tym sensie, że istnieją pewne pierścienie wirowe, które świetnie nadają się do wydajnego napędu, jak przykład meduzy, o której właśnie mówiliśmy. Istnieją jednak różne rodzaje pierścieni wirowych, które powstają w przypadku próby wygenerowania dużej siły. Jeśli na przykład chcę po prostu poruszać się naprawdę szybko, meduzy, które chcą uciec przed drapieżnikiem, tworzą pierścień wirowy, który różni się od bardzo wydajnych pierścieni wirowych, o których mówiliśmy przed chwilą.
(21:15) Pomyśleliśmy więc — a to może być kilkadziesiąt lat temu — że być może moglibyśmy wykorzystać tę wiedzę do zrozumienia pierścieni wirowych w zupełnie innym systemie, ludzkim sercu. Tak jak powiedziałem, podczas napełniania lewej komory powstaje pierścień wirowy. Okazuje się, że u zdrowego pacjenta w porównaniu z pacjentem cierpiącym na pewne choroby – na przykład kardiomiopatię rozstrzeniową, powiększone serce – ich pierścienie wirowe wyglądają zupełnie inaczej niż pierścienie wirowe, które powstały u zdrowego pacjenta. Odkryliśmy interesującą korelację, w której zmiana, którą widzimy między zdrowym pacjentem a niektórymi pacjentami z tymi patologiami, jest bardzo podobna do różnicy między skutecznie pływającą meduzą a taką, która ucieka przed drapieżnikiem lub próbuje złapać swoją ofiarę.
(22:05) Tak więc jedną z kluczowych korzyści płynących z przyjrzenia się tym płynnym, dynamicznym sygnaturom wydajności i dysfunkcji jest to, że zmiany te mogą czasami wystąpić przed zmianami strukturalnymi w sercu lub przed niektórymi ogólnoustrojowymi zmianami w całym ciele, które mogłyby powiedzieć coś jest z tobą nie tak. Widzieliśmy więc w tym szansę na bardziej czułą i wcześniejszą diagnostykę lub flagę chorób i dysfunkcji w organizmie człowieka. Następnie pojawiły się inne laboratoria, które wykazały, że w rzeczywistości te zmiany w przepływie w sercu mogą w rzeczywistości być skutecznym markerem choroby u ludzi.
Strogatz (22:45): Wow, John, to ekscytujące.
dabiri (22:47): Tak, bardzo zgrabne i nieoczekiwane połączenie. Ale Steve, wracamy do twojej wcześniejszej uwagi o powtarzaniu się tego motywu pierścienia wirowego w dynamice płynów — czy to jest powietrze, woda czy krew, czy to pływanie, czy to latające organizmy, czy to siedzi tutaj i rozmawia ze sobą za pomocą naszych serca pompujące krew.
Strogatz (23:06): Cóż, to jest świetne. Jestem naprawdę zdumiony tym ostatnim medycznym przykładem. Bo, mam na myśli, zwłaszcza, że może to być system wczesnego ostrzegania i wczesna diagnostyka. Ale zastanawiam się, jaka jest technologia obrazowania, która pozwala, wiesz, nie umieścić osadu w sercu, prawda? Co my robimy? Czy to wszystko - czy pojawia się na USG lub MRI? Jak byś wyglądał?
dabiri (23:26): Dokładnie. Tak. Tak więc wczesna praca została wykonana w MRI. Ostatnio techniki ultradźwiękowe. Obecne laboratoria również pracują nad potencjalnie nawet detekcją akustyczną, tak aby przepływ krwi w niektórych typach tworzenia się wirów miał dźwięk wykrywalny przez elektroniczny stetoskop. Celem jest wymyślenie najprostszej technologii, która pozwoliłaby to wykryć, ponieważ nie każdy będzie miał do dyspozycji aparat do rezonansu magnetycznego lub ultrasonograf. Ale możesz sobie wyobrazić urządzenie do pomiaru dźwięku o wartości od 10 do 20 USD, które można kupić w Walmart i być w stanie wykryć tego typu zmiany i mieć je w domu.
(24:10) A więc to jest cel. W żadnym wypadku jeszcze tam nie jesteśmy. Ale to, co zrobiły meduzy, dało nam początkowy cel, czego szukać, jeśli chodzi o zmiany w przepływie, które wystąpiły u zdrowych i chorych pacjentów.
Strogatz (24:24): No dobrze, więc wyjdźmy teraz z wody. I zacznijcie mówić trochę o pracy, którą wykonaliście z kolegami na temat turbin wiatrowych w Kalifornii na Alasce, aby zwiększyć ich wydajność. Po pierwsze, jeśli mówię o turbinie wiatrowej, pierwszym obrazem, który przychodzi mi do głowy, jest jedno z tych gigantycznych białych śmigieł stojących wysoko na jakimś polu. Czy to właściwy obraz, czy też powinienem mieć w głowie inny obraz?
dabiri (24:54): Więc te turbiny są innego typu. Chociaż nasza praca była w dużej mierze motywowana niektórymi wyzwaniami związanymi z tymi dużymi turbinami. Największym wyzwaniem jest to, że poszczególne turbiny są bardzo wydajne pod względem tego, jak dobrze są w stanie przekształcić ruch wiatru w energię elektryczną. Wyzwanie polega na tym, że z wiatrem każdej z tych turbin wytwarzają dużo wzburzonego powietrza lub turbulencji. To wzburzone powietrze obniżyłoby wydajność każdej turbiny, która znajdowała się z wiatrem od pierwszej.
(25:24) I dlatego, jeśli zobaczysz jedną z tych farm wiatrowych, wszystkie turbiny są bardzo daleko od siebie. Ponieważ starają się upewnić, że wzburzone powietrze między turbinami nie zmniejszy wydajności grupy.
(25:36) Zawsze wydawało mi się to trochę ironiczne, że jeśli spojrzysz w przyrodę, pomyśl o ławicach ryb w oceanie, trzepoczą ogonami, tworzą własne kilwatery, jak je nazywamy. Tak więc wzburzone powietrze za turbiną wiatrową nazywamy kilwaterem. Ryby również tworzą te kilwatery. Pływają w grupach i nie oddalają się od siebie tak daleko, jak to możliwe. Ale zamiast tego koordynują swoje pozycje, jedno z drugim. W rzeczywistości mogą skorzystać z utworzonego przepływu. Tak, aby całość była większa niż suma jej części. Oznacza to, że grupa ryb może płynąć razem wydajniej, niż gdyby były oddzielone od siebie. Widzimy to w kolarstwie, Tour de France. Zobaczysz, jak rowerzyści wykorzystują aerodynamikę swoich sąsiadów.
(26:17) Pytanie brzmiało, czy moglibyśmy wymyślić analogię do tych ławic ryb, które pracowałyby przy lokalizacji turbin wiatrowych. Oto miejsce, w którym prawie przez przypadek — prowadzę zajęcia w Caltech na temat dynamiki płynów pływania i latania. A na moich wykładach o ławicach ryb zapisuję na tablicy równania, jak można przewidzieć korzystną interakcję między turbinami wiatrowymi. Jedną z kluczowych cech tych modeli są wiry, o których mówiliśmy do tej pory. Wirujące prądy, które tworzyłyby ryby. Model matematyczny jednego z tych wirów jest prawie identyczny z tym, jak reprezentowałbyś tak zwane turbiny wiatrowe o pionowej osi.
(27:01) Zatrzymam się na chwilę i powiem, że turbiny wiatrowe, do których przywykliście widzieć turbiny śmigłowe, o których mówiliśmy, nazywane są turbinami wiatrowymi o poziomej osi. Ponieważ ostrza obracają się wokół poziomej osi. Turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu, łopaty obracają się wokół osi, która wystaje pionowo z ziemi. Tak więc na przykład karuzela byłaby przykładem systemu typu osi pionowej. Systemy te można matematycznie przedstawić niemal identycznie jak ławice ryb.
(27:31) I to było połączenie, w którym powiedziałem, cóż, spróbujmy pomyśleć o zaprojektowaniu farm wiatrowych, które miałyby dla nich orientację typu ławicy ryb. Więc poprosiłem kilku studentów w laboratorium, aby jeden z ich projektów zrobił z tyłu koperty, w jaki sposób poprawiłoby to wydajność farm wiatrowych pod względem energii, którą można wyprodukować na danej działce.
(27:52) Powiedzmy, że daję ci, Steve, 10 akrów i chcę, żebyś generował jak najwięcej elektryczności przy użyciu konwencjonalnych turbin wiatrowych. W przypadku turbin w stylu śmigła prawdopodobnie można by zmieścić tylko jedną z tych turbin na tej działce. W przypadku tych mniejszych turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu okazuje się, że można uzyskać 10 razy więcej energii z tej samej działki, korzystając z tych efektów.
(28:15) To jest kalkulacja ołówkiem i papierem, dopóki nie można powiedzieć, że to świetny teoretyczny pomysł. Ale mieliśmy szczęście, że byliśmy tutaj, w Caltech, gdzie poszedłem do wydziału i powiedziałem: „Chciałbym kupić trochę ziemi i spróbować”. I tak było mniej więcej w czasie krachu na rynku '08-'09. I tak można było dostać ziemię całkiem tanio. Więc kupiliśmy kilka akrów ziemi tutaj, w północnej części hrabstwa LA, za, jak sądzę, tylko 10,000 15,000 lub XNUMX XNUMX dolarów. Zawarliśmy umowę z jedną z firm, która buduje turbiny wiatrowe o pionowej osi, że dadzą nam turbiny za darmo w zamian za dane. Ponieważ testowanie nowej turbiny jest naprawdę drogie, jeśli jesteś start-upem.
(28:54) Więc ustawiliśmy zestaw tych turbin na tym polu. W rzeczywistości na naszym terenie znaleźliśmy ich około dwóch tuzinów. I byliśmy w stanie pokazać w prawdziwym świecie, że w rzeczywistości można uzyskać 10 razy więcej energii z działki przy użyciu tego typu projektu inspirowanego rybami. Było to więc naprawdę ekscytujące znalezisko, do którego dążymy do dziś.
Strogatz (29:14): Bardzo, bardzo, bardzo ekscytujące. Nigdy o tym nie słyszałem. To znaczy, miałem niejasne pojęcie, że pracowałeś nad rozmieszczeniem turbin wiatrowych inspirowanych ławicami rybackimi, ale tylko po to, żeby usłyszeć, jak opowiadasz historię i kupić ziemię, to znaczy, nie wiem. To tylko kwestia osobista: jestem matematykiem, który nigdy nie kupuje ziemi, aby przetestować swoje pomysły. Zastanawiam się, kiedy ludzie pomyślą o normalnej krytyce dużych, wysokich turbin wiatrowych, wyglądających jak śmigło. Czy to jest bardziej atrakcyjne, jak myślisz, estetyczne czy mniej atrakcyjne? Wyobrażam sobie, że wydaje się, że nie muszą być tak wysocy ani blokować ludziom widoku.
dabiri (30:00): Dokładnie. W rzeczywistości badaliśmy to naukowo, kiedy pracowałem na Uniwersytecie Stanforda Bruce Cain, socjolog. Mogliśmy badać postawy Kalifornii wobec tych różnych typów turbin. I masz dokładnie rację. Jest to mniejszy efekt wizualny jako ważna cecha.
(30:17) Jednak jeszcze ważniejszy jest potencjalnie mniejszy wpływ na ptaki i nietoperze, co dla dużych turbin stanowi ciągłe wyzwanie, ponieważ istnieje możliwość wpadnięcia ptaków na łopaty lub nietoperze i inne obszary. Te turbiny wiatrowe o pionowej osi są, jak powiedziałeś, niższe od ziemi, ale mają też inną sygnaturę wizualną. Tak więc, szczerze mówiąc, w przypadku dużych turbin ptak po prostu nie widzi łopaty, zanim będzie za późno. W przypadku tych turbin wiatrowych o pionowej osi sygnatura wizualna jest znacznie bardziej widoczna, ponieważ łopaty poruszają się wolniej niż w przypadku tych dużych turbin.
(30:54) Powodem, dla którego nie widzicie ich teraz wszędzie, biorąc pod uwagę to, co wam właśnie powiedziałem, jest to, że wciąż pozostaje wiele do zrobienia, aby poprawić ich niezawodność, co w pewnym sensie lubię mówić, że jest nie nauka o rakietach, wiesz, mamy ludzi na kampusie, którzy wysyłają łaziki na Marsa. To oczywiste, że powinniśmy być w stanie zaprojektować turbinę wiatrową, która wytrzyma na przykład zimę na Alasce. Ale tak naprawdę jeszcze tam nie jesteśmy, po prostu nie było dużo inwestycji w te nowe rodzaje technologii, ponieważ opracowanie nowego sprzętu energetycznego jest bardzo drogie. Więc praca w toku.
Strogatz (31:25): Wspomniałeś, że niektóre pomysły wywodzą się z matematyki. Na przykład istniała matematyka związana z ławicami ryb, którą można było następnie dostosować do przypadku turbin wiatrowych.
dabiri (31:36): Zgadza się.
Strogatz: Próbuję sobie wyobrazić tę matematykę. Możesz powiedzieć trochę więcej? Jaka jest w tym matematyka?
dabiri (31:42): Tak, jasne. To, co próbujemy wymyślić, gdy myślimy na przykład o wirze, to prosty matematyczny opis tego, jak wir wpływa na otaczający go przepływ. I tak mamy w naszej dziedzinie coś, co nazywa się teorią przepływu potencjalnego. Jest to uproszczona reprezentacja tych bardziej złożonych przepływów płynów, które opisaliśmy. Zaletą jest to, że mogę zapisać na kartce równanie, które mówi, że jeśli mam wir w danym miejscu, oto co zrobi całe powietrze lub woda wokół tego wiru. Możemy to zapisać w jednym wierszu matematyki.
(32:19) Zaletą tej teorii przepływu potencjalnego jest to, że jeśli, powiedzmy, mam wir po mojej lewej stronie i wir po mojej prawej stronie, mogę natychmiast obliczyć, jak wpływają one na siebie nawzajem, po prostu dodając te dwa efekty do siebie. Nazywamy to superpozycją liniową, ale po prostu dodajemy te dwa efekty jeden na drugim.
(32:38) Kiedy studiuję ławice ryb, oznacza to, że mogę jeden raz napisać równanie i jeśli chcę poznać skutki 20 ryb, mogę skutecznie pomnożyć odpowiedź przez 20, dodając lub biorąc, bez konieczności zrobić o wiele bardziej skomplikowane obliczenia. W przypadku turbin wiatrowych, aby zaprojektować optymalną farmę wiatrową, mając matematyczną reprezentację jednej z tych turbin wiatrowych, mogę zoptymalizować całą farmę złożoną z 1,000 lub gdybym chciał 10,000 XNUMX turbin wiatrowych, bez konieczności opracowywania jakakolwiek nowa matematyka, naprawdę. Jest to więc bardzo wygodny sposób przedstawienia tych systemów.
(33:13) Okazuje się, że ta fundamentalna matematyczna reprezentacja wiru, który wyrzuca ryba, jest prawie identyczna — z różnicą przedczynnikową — z matematyczną reprezentacją turbin wiatrowych o pionowej osi. I tak ta wygoda mapowania jeden do jednego problemu ławic ryb do problemu turbiny wiatrowej pozwoliła nam pożyczyć wiele z tej samej optymalizacji matematycznej, która została wykonana, aby wymyślić optymalne konfiguracje ławic ryb i użyć tego prawie bezpośrednio do optymalizacji farmy wiatrowe.
(33:45) Jedyną różnicą jest cel. Można powiedzieć, że w ławicy ryb optymalizacja ma na celu zminimalizowanie oporu, jaki napotka ta grupa ryb podczas poruszania się w wodzie, lub zminimalizowanie energii wydatkowanej przez wszystkie te ryby podczas pływania. W przypadku farmy wiatrowej moim celem może być: „pozwól mi zmaksymalizować ilość energii, którą pozyskuję z wiatru” lub „pozwól mi spróbować zaprojektować ten system tak, aby dla wiatru wiejącego z określonych kierunków otrzymywał maksymalny wiatr w zależności od lokalnej topografii, którą mam w pracy.” Tak więc leżąca u podstaw maszyneria matematyczna jest taka sama. Cele, dla których optymalizujemy, mogą być różne.
Strogatz (34:25): Po prostu muszę pomyśleć, że każdy, kto tego słucha, będzie zdumiony, tak jak ja, rodzajem umysłu potrzebnym do wykonywania pracy, którą wykonujesz. Zakres zainteresowania, który okazujesz, swobodnie poruszając się między inżynierią farm wiatrowych, medycznymi aspektami wirów w sercu, matematyką potrzebną do zrozumienia tego. Prawdopodobnie nawet nie wspomniałeś jeszcze o informatyce, ale zgaduję, że to się pojawi.
dabiri (34:50): Oczywiście. To świetna zabawa. Tak.
Strogatz: Dobre nastawienie.
dabiri (34:55): Nie, jest. Powiedziałbym tylko, że wiele razy, myślę, studenci - ci w szkole średniej lub na studiach - odnosisz wrażenie, że w życiu musisz wybrać jedną rzecz. Zamierzam studiować biologię lub chemię, zamierzam studiować fizykę. I o to chodzi. W rzeczywistości niektóre z najciekawszych badań znajdują się na przecięciu tych różnych dziedzin. Nie można więc powiedzieć, że była to łatwa droga do oswojenia się z tymi różnymi dziedzinami. Tutaj w Caltech, na pierwszym roku studiów podyplomowych, chodziłem na zajęcia z biologii Franciszka Arnolda, laureat Nagrody Nobla. Powiedzmy, że wziąłem udział w zajęciach dwa razy, ponieważ nie kliknąłem za pierwszym razem. Jednocześnie uważam, że warto starać się uczyć tych różnych dziedzin, ponieważ myślę, że w ten sposób można spojrzeć na problemy z nowej perspektywy.
Strogatz (35:45): To bardzo inspirujące. Więc zmieńmy biegi na coś, czym jesteś obecnie zajęty, czyli doradzanie administracji Bidena w sprawie turbin wiatrowych. Czy możesz powiedzieć coś o pracy, którą wykonujesz z rządem?
dabiri (36:01): Tak, absolutnie. Wiesz, to był zaszczyt służyć w tym charakterze. I powiem, że tak naprawdę nie było to bezpośrednio związane z żadnym konkretnym celem naszych badań. Grupa, w Radzie Prezydenckiej, myślę, że wszyscy jesteśmy szeroko zainteresowani nauką i jej rozwojem w tym kraju. Jednym z obszarów, który mnie pasjonuje, jest obserwowanie, jak nasza infrastruktura badawcza — mam na myśli od szkół średnich, przez szkoły wyższe i uniwersytety, po programy badawcze dla absolwentów, które umożliwiały ludziom prowadzenie tych bardziej niekonwencjonalnych kierunków badań, takich jak to, co my rozmawialiśmy o.
(36:39) Z perspektywy czasu naprawdę doceniam pozytywne reakcje na te pomysły. Mogę wam powiedzieć, że kiedy po raz pierwszy pisałem wnioski o dofinansowanie tej pracy, były one odrzucane jedna po drugiej, ponieważ brzmiały trochę dziwnie. Wiesz, pomysł, że cokolwiek na temat pływających meduz może pomóc w diagnostyce kardiologicznej, albo że ławice ryb powiedzą nam coś o turbinach wiatrowych. Wydaje się to trochę zbyt obce i nie miałem przykładów, na które mógłbym wskazać, aby powiedzieć, że to musi być sukces. Tak więc recenzenci zazwyczaj mieliby początkową reakcję: „Cóż, a co, jeśli to nie zadziała?” Gdzie zawsze myślę: „Cóż, a jeśli to zadziała? Jak fajnie by to było? Co to może odblokować? I niestety, obecnie zazwyczaj nie finansujemy pracy na zasadzie „a co, jeśli to zadziała?” Zwykle jest to „a co, jeśli nie?” I myślę, że jest to jeden z elementów polityki, którym, mam nadzieję, możemy zająć się w Radzie Prezydenta.
Strogatz (37:40): Cóż, więc jesteś w Kalifornii. Dużym problemem, jak wszyscy wiedzą w Kalifornii, są pożary. Myślę, że powinno to być czymś, o czym pomyślałaby osoba zainteresowana dynamiką płynów. Masz coś do doniesienia na ten temat?
dabiri (37:55): Zgadza się. W Radzie Naukowej Prezydenta Bidena miałem zaszczyt współprzewodniczyć grupie zastanawiającej się, jak możemy wykorzystać naukę i technologię, aby lepiej radzić sobie z pożarami. Wiemy, że w ostatnich latach stawały się coraz częstsze, aw niektórych przypadkach bardziej dotkliwe, szczególnie tutaj, w Kalifornii. A jednak istnieją technologie, których obecnie nie używamy — na przykład komunikacja dla strażaków, sztuczna inteligencja (AI) pomagająca przewidywać postęp pożarów, a nawet technologie takie jak roboty i drony, które pomagają zakłócać ścieżkę pożaru, zanim mogą przybyć osoby udzielające pierwszej pomocy. Nasza praca pozwoliła zidentyfikować wiele nowych i pojawiających się technologii, które naszym zdaniem mogą pomóc w powstrzymaniu negatywnych skutków pożarów. Dlatego z niecierpliwością czekamy na działania na poziomie federalnym, stanowym i lokalnym w sprawie tych zaleceń.
Strogatz (38:48): A więc dynamika płynów w jakiś sposób wpływa na to wszystko?
dabiri (38:52): Tak, dynamika płynów jest w rzeczywistości jednym z najważniejszych czynników napędzających rozwój pożaru. Pomyśl o wiatrach, które niosą płonące węgle i mogą decydować o tym, czy w końcu przekroczą przerwę przeciwpożarową. Wiatry mogą decydować o tym, jak szybko porusza się ogień. Kiedy więc mieliśmy naprawdę katastrofalne pożary, w niektórych przypadkach było to spowodowane wiatrem, który w niektórych przypadkach osiągał prędkość 70 lub 80 mil na godzinę. Jednym z kluczowych wyzwań w walce z tymi pożarami jest możliwość wykorzystania modeli dynamiki płynów do przewidywania przyszłego rozwoju pożaru. Wymaga nowych typów danych o wietrze w pobliżu ziemi, aby uzupełnić dane o górnych warstwach powietrza.
(39:31) Ale symulując różne lokalizacje, możemy również pomóc wrażliwym społecznościom przygotować się z wyprzedzeniem na pożary — wiedzieć, że na podstawie ich topografii i roślinności oraz dzięki tym modelom dynamiki płynów jesteśmy w stanie powiedzieć im, które części społeczności prawdopodobnie jako pierwsza zobaczy front tego pożaru. Może to na przykład wpłynąć na plany ewakuacji.
Strogatz (39:54): Cóż, przypuszczam, że żadna dyskusja o dynamice płynów nie byłaby kompletna bez wzmianki o turbulencjach. Jest często nazywany największym nierozwiązanym problemem w fizyce klasycznej. Wiesz, chciałbym tylko mały samouczek — na przykład, na czym w ogóle polega problem turbulencji? Co ludzie chcieliby zrozumieć?
dabiri (40:12): Tak. Prosty sposób, w jaki czasami to opisuję, polega na tym, że w dynamice płynów mamy zestaw równań, które wyjaśniają ruch płynu w sposób wystarczająco dobry, aby zaprojektować samolot, ale niewystarczający, aby powiedzieć, kiedy ten samolot wpadnie w turbulencje . Tak więc nasze równania dynamiki płynów nie były w stanie przewidzieć niektórych bardzo powszechnych zjawisk, które obserwujemy w przepływie płynów. Jeśli pomyślisz o swoim kranie w domu i odkręcisz go tylko trochę, ma on naprawdę szklisty wygląd. Odkręcasz kran nieco wyżej, a potem spontanicznie robi się znacznie ostrzej. Otrzymujesz przejście do przepływu turbulentnego. Obserwujemy to we wszelkiego rodzaju eksperymentach laboratoryjnych i nie mamy jeszcze czystego teoretycznego wyjaśnienia, kiedy następuje przejście do turbulencji.
Strogatz (41:01): Bardzo interesujące. Zbiegiem okoliczności, zeszłej nocy — może to nie przypadek, może podświadomie myślałem o naszej zbliżającej się dyskusji. Ale tak się złożyło, że pomyślałem Richard Feynmanwykłada w swoich słynnych wykładach z fizyki — właśnie w Caltech, prawdopodobnie niedaleko miejsca, w którym siedzisz — gdzie mówi o przepływie wody i nieprzemijającej tajemnicy turbulencji. I nawet wspomina, że na wentylatorze, jeśli spojrzysz na łopatkę wentylatora, na przykład na strychu lub czymś takim, zawsze znajdziesz cienką warstwę kurzu - bardzo małe cząsteczki kurzu. Co wydaje się tajemnicze, zauważa Feynman, ponieważ łopatki wentylatora poruszają się w powietrzu z ogromną prędkością. A jednak nie zdmuchuje tych małych cząsteczek kurzu. Więc wydaje mi się, że to jest miejsce, w którym musimy zakończyć: że ty, chciałem powiedzieć, jesteś kimś w rodzaju współczesnego Leonarda da Vinci. Ale teraz zacząłem myśleć, że może jesteś też współczesnym Richardem Feynmanem.
dabiri (41:03): Może jeśli pewnego dnia uda mi się rozwiązać problem z turbulencjami, będziemy mogli wpaść na taki pomysł. Ale na razie tak, jestem tylko dzieciakiem z Toledo, który kocha meduzy.
Strogatz (42:06): Idealnie. Dziękuję bardzo, John Dabiri, za dołączenie do nas dzisiaj.
dabiri (42:10): Dzięki, że mnie masz.
Spiker (42:14): Podróże kosmiczne zależą od sprytnej matematyki. Znajdź niezbadane układy słoneczne w Magazyn QuantaNowa codzienna gra matematyczna Hyperjumps. W grze Hyperjumps musisz znaleźć proste kombinacje liczb, aby przenieść rakietę z jednej egzoplanety na drugą. Alert spoilera: Zawsze jest więcej niż jeden sposób na wygraną. Sprawdź swoją astralną arytmetykę o godz hyperjumps.quantamagazine.org.
Strogatz (42: 40): Radość dlaczego jest podcastem z Magazyn Quanta, niezależną redakcyjnie publikację wspieraną przez Fundację Simonsa. Decyzje o finansowaniu Fundacji Simonsa nie mają wpływu na dobór tematów, gości ani inne decyzje redakcyjne w tym podcaście ani w Magazyn Quanta. Radość dlaczegojest produkowany przez Susan Valot i Polly Stryker. Nasi redaktorzy to John Rennie i Thomas Lin przy wsparciu Matta Carlstroma, Annie Melchor i Zacha Savitsky'ego. Naszą muzykę przewodnią skomponował Richie Johnson. Julian Lin wymyślił nazwę podcastu. Grafika odcinka jest autorstwa Petera Greenwooda, a nasze logo autorstwa Jaki King. Specjalne podziękowania dla Burta Odoma-Reeda z Cornell Broadcast Studios. Jestem twoim gospodarzem, Steve Strogatz. Jeśli masz do nas jakieś pytania lub uwagi, napisz do nas na adres Dziękuję za słuchanie.
- Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
- PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
- PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
- PlatonESG. Motoryzacja / pojazdy elektryczne, Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
- Przesunięcia bloków. Modernizacja własności offsetu środowiskowego. Dostęp tutaj.
- Źródło: https://www.quantamagazine.org/what-can-jellyfish-teach-us-about-fluid-dynamics-20230628/
- :ma
- :Jest
- :nie
- :Gdzie
- ][P
- $W GÓRĘ
- 000
- 1
- 10
- 11
- 12
- 13
- 14
- 15%
- 16
- 17
- 19
- 20
- 20 roku
- 200
- 2020
- 22
- 23
- 24
- 25
- 26%
- 27
- 28
- 30
- 31
- 32
- 39
- 40
- 50
- 51
- 70
- 80
- a
- zdolność
- Zdolny
- O nas
- absolutnie
- wykonać
- Osiągać
- Osiąga
- akrów
- w poprzek
- Działania
- faktycznie
- Dodaj
- w dodatku
- dodanie
- adres
- administracja
- awansować
- Korzyść
- doradztwo
- doradca
- doradcy
- Lotnictwo
- oddziaływać
- Po
- ponownie
- temu
- AI
- Cele
- AIR
- samolot
- samoloty
- ALASKA
- Alarm
- Wszystkie kategorie
- dopuszczać
- pozwala
- już
- również
- Chociaż
- zawsze
- am
- ilość
- an
- i
- zwierzę
- zwierzęta
- Inne
- odpowiedź
- każdy
- wszystko
- osobno
- Aplikacja
- pozorny
- pociągający
- Apple
- Zastosowanie
- aplikacje
- Aplikuj
- doceniać
- SĄ
- POWIERZCHNIA
- obszary
- Ramiona
- na około
- Sztuka
- sztuczny
- sztuczna inteligencja
- AS
- aspekty
- ambitny
- powiązany
- At
- Atrium
- postawa
- atrakcja
- z dala
- Oś
- z powrotem
- torba
- na podstawie
- podstawa
- nietoperze
- BE
- Belka
- bo
- stają się
- staje się
- staje
- być
- zanim
- za
- jest
- uwierzyć
- Dzwon
- korzystny
- korzyści
- Korzyści
- Ulepsz Swój
- pomiędzy
- Biden
- Administracja Biden
- Duży
- Najwyższa
- biologia
- Ptaki
- Bit
- NÓŻ
- na oślep
- Blokować
- krew
- wiać
- Dmuchanie
- deska
- ciała
- ciało
- pożyczać
- obie
- Dolny
- kupiony
- Mózg
- szerokość
- przerwa
- oddychania
- nadawanie
- szerszy
- szeroko
- bańka
- Budowanie
- Buduje
- palenie
- zajęty
- ale
- kupować
- Zakup
- by
- obliczać
- obliczenie
- California
- wezwanie
- nazywa
- oprawa ołowiana witrażu
- aparat fotograficzny
- Obóz
- Kampus
- CAN
- kajak
- Pojemność
- Zajęte
- Przechwytywanie
- Kariera
- ostrożny
- ostrożnie
- prowadzone
- nieść
- walizka
- Etui
- katastrofalny
- zapasy
- Komórki
- Centrum
- centralny
- wieków
- pewien
- łańcuch
- wyzwanie
- wyzwania
- szansa
- zmiana
- Zmiany
- tani
- chemia
- Okrągłe
- klasa
- czysta energia
- wyraźnie
- kliknij
- Klimat
- Zmiana klimatu
- Zamknij
- Współprzewodniczący
- zbieg okoliczności
- koledzy
- Zbieranie
- Studentki
- Uczelnie
- zwalczania
- kombinacje
- połączyć
- jak
- byliśmy spójni, od początku
- wygodny
- przyjście
- komentarze
- wspólny
- Komunikacja
- społeczności
- społeczność
- Firmy
- Komplement
- kompletny
- kompleks
- skomplikowane
- składniki
- w składzie
- komputer
- Computer Science
- połączony
- połączenie
- stały
- Ograniczenia
- spożywane
- kontynuując
- ciągły
- umowa
- kontraktowanie
- umowy
- kontrolowania
- wygoda
- Wygodny
- Konwencjonalny
- konwertować
- Chłodny
- koordynować
- skoordynowane
- koordynacja
- biurowy
- Cornell
- Korelacja
- mógłby
- Rada
- kraj
- hrabstwo
- Para
- Kurs
- Covidien
- COVID-19
- Crash
- zwariowany
- Stwórz
- stworzony
- tworzy
- Tworzenie
- Aktualny
- Obecnie
- da
- codziennie
- dane
- David
- dzień
- Dni
- sprawa
- lat
- Decyzje
- Zdecydowanie
- Departament
- W zależności
- zależy
- opisać
- opisane
- opis
- Wnętrze
- projektowanie
- projekty
- pragnienie
- życzenia
- detal
- Wykrywanie
- Ustalać
- rozwijać
- rozwinięty
- oprogramowania
- urządzenie
- ZROBIŁ
- różnica
- Różnice
- różne
- trudny
- kierunek
- bezpośrednio
- dyskusja
- choroba
- choroby
- wyróżnienie
- do
- dokumentalne
- robi
- Nie
- robi
- zrobić
- nie
- na dół
- tuzin
- smok
- rysować
- sporządzony
- napędzany
- sterowniki
- Drony
- z powodu
- podczas
- Kurz
- dynamiczny
- dynamika
- każdy
- Wcześniej
- Wcześnie
- łatwiej
- z łatwością
- łatwo
- krawędź
- Zespół redakcyjny
- Efektywne
- faktycznie
- ruchomości
- efektywność
- wydajny
- skutecznie
- wysiłek
- bądź
- elektryczność
- Elektroniczny
- wyłonił
- wschodzących
- nowe technologie
- umożliwiając
- zakończenia
- cierpliwy
- energia
- silnik
- inżynier
- Inżynieria
- Inżynierowie
- dość
- wpisana
- zabawiać
- Cały
- epizod
- równania
- uciec
- szczególnie
- Parzyste
- wydarzenia
- ostatecznie
- EVER
- Każdy
- codziennie
- wszyscy
- każdy jest
- ewolucja
- ewoluuje
- dokładnie
- przykład
- przykłady
- doskonała
- wymiana
- podniecony
- ekscytujący
- egzoplanetą
- Egzotyczny
- Rozszerzać
- drogi
- eksperymenty
- ekspert
- Wyjaśniać
- wyjaśnienie
- zbadane
- wygaśnięcie
- Twarz
- w obliczu
- fakt
- sławny
- wentylator
- daleko
- gospodarstwo
- Farmy
- FAST
- szybciej
- Kran
- Moja lista
- Cecha
- Korzyści
- Federalny
- czuć
- pole
- Łąka
- Postać
- wzorzysty
- Nadzienie
- Znajdź
- natura
- strażaków
- i terminów, a
- pierwszy raz
- Ryba
- dopasować
- ustalony
- elastyczne
- lot
- pływ
- Przepływy
- płyn
- Dynamika płynów
- latający
- jedzenie
- W razie zamówieenia projektu
- wytrzymałość
- obcy
- Nasz formularz
- formacja
- utworzony
- formularze
- szczęśliwy
- Naprzód
- znaleziono
- Fundacja
- Francja
- Darmowy
- częsty
- od
- z przodu
- zabawa
- fundusz
- fundamentalny
- finansowane
- Finansowanie
- dalej
- przyszłość
- futurystyczny
- Wzrost
- gra
- koła zębate
- Ogólne
- Generować
- generacja
- otrzymać
- miejsce
- gigant
- Dać
- dany
- daje
- szkło
- Go
- cel
- Goes
- będzie
- dobry
- Rząd
- absolwent
- wspaniały
- większy
- Największym
- Greenwood
- Ziemia
- Zarządzanie
- Grupy
- Rozwój
- Gość
- gości
- miał
- się
- Ciężko
- sprzęt komputerowy
- Wykorzystywanie
- Have
- mający
- he
- głowa
- Zdrowie
- zdrowy
- słyszeć
- wysłuchany
- przesłuchanie
- Serce
- Trzymany
- pomoc
- pomocny
- jej
- tutaj
- Wysoki
- wyższy
- Najwyższa
- jego
- Dobranie (Hit)
- przytrzymaj
- Strona główna
- nadzieję
- Poziomy
- gospodarz
- godzina
- W jaki sposób
- How To
- http
- HTTPS
- człowiek
- Ludzie
- i
- CHORY
- pomysł
- idealny
- pomysły
- identiques
- zidentyfikowane
- if
- oświetlać
- obraz
- obraz
- Obrazowanie
- natychmiast
- Rezultat
- Oddziaływania
- ważny
- podnieść
- in
- niezależny
- indywidualny
- nieunikniony
- wpływ
- informować
- Informacja
- Infrastruktura
- początkowy
- wgląd
- Inspiracja
- Inspirujące
- inspirowane
- zamiast
- Instytut
- Inteligencja
- interakcji
- wzajemne oddziaływanie
- odsetki
- zainteresowany
- ciekawy
- ingerować
- skrzyżowanie
- najnowszych
- inwestycja
- z udziałem
- problem
- IT
- JEGO
- John
- Johnson
- łączący
- Dołącz do nas
- właśnie
- Klawisz
- Dziecko
- Zabić
- Uprzejmy
- król
- Królestwo
- Wiedzieć
- znany
- laboratorium
- laboratorium
- Labs
- Kraj
- duży
- w dużej mierze
- laser
- Lasery
- Nazwisko
- Późno
- później
- Laws
- warstwa
- prowadzić
- UCZYĆ SIĘ
- Pozostawiać
- czytanie
- wykłady
- lewo
- Dziedzictwo
- nogi
- mniej
- niech
- poziom
- życie
- lekki
- lubić
- Prawdopodobnie
- LIMIT
- lin
- Linia
- linie
- Słuchanie
- mało
- miejscowy
- lokalnie
- lokalizacja
- lokalizacji
- logo
- długo
- długi czas
- Popatrz
- wygląda jak
- poszukuje
- WYGLĄD
- Partia
- kocha
- niski
- niższy
- maszyna
- maszyny
- zrobiony
- magazyn
- Główny
- utrzymać
- robić
- WYKONUJE
- zarządzane
- wiele
- mapowanie
- znacznik
- rynek
- krach na rynku
- marzec
- maska
- Masa
- Masowe wymieranie
- materiały
- matematyka
- matematyczny
- matematycznie
- Maksymalizuj
- Może..
- me
- oznaczać
- znaczenie
- znaczy
- Oznaczało
- W międzyczasie
- zmierzyć
- pomiary
- Pomiary
- zmierzenie
- mechaniczny
- medyczny
- Zastosowania medyczne
- członek
- wzmiankowany
- wspomina
- może
- milion
- nic
- chwila
- brakujący
- Moda
- model
- modelowanie
- modele
- moment
- jeszcze
- bardziej wydajny
- większość
- ruch
- zmotywowani
- usta
- ruch
- pójść naprzód
- ruch
- porusza się
- przeniesienie
- MRI
- dużo
- Muzyka
- musi
- my
- tajemniczy
- Tajemnica
- Nazwa
- Narodów
- Naturalny
- Natura
- Blisko
- koniecznie
- Potrzebować
- potrzebne
- ujemny
- sąsiedzi
- nigdy
- Nowości
- Nowe technologie
- Następny
- miło
- noc
- Nie
- nagroda Nobla
- normalna
- Pojęcie
- już dziś
- NSF
- numer
- z naszej
- cel
- Cele
- obserwować
- miejsce
- ocean
- of
- poza
- oferta
- często
- on
- pewnego razu
- ONE
- te
- trwający
- tylko
- Okazja
- Optymalny
- optymalizacja
- Optymalizacja
- or
- zamówienie
- Inne
- ludzkiej,
- na zewnątrz
- Wynik
- koniec
- własny
- bolesny
- Papier
- część
- szczególny
- szczególnie
- strony
- przebiegi
- namiętny
- pasywny
- ścieżka
- pacjent
- pacjenci
- pauza
- Ludzie
- Ludzie na
- doskonały
- jest gwarancją najlepszej jakości, które mogą dostarczyć Ci Twoje monitory,
- może
- osoba
- osobisty
- perspektywa
- perspektywy
- Piotr
- fotograf
- robienie zdjęć
- Fizyka
- wybierać
- obraz
- kawałek
- sztuk
- Miejsce
- Miejsca
- plany
- plato
- Analiza danych Platona
- PlatoDane
- do przyjęcia
- gra
- odgrywa
- Proszę
- przyjemność
- Podcast
- Podcasting
- punkt
- zwrotnica
- polityka
- Pozycje
- pozytywny
- możliwy
- potencjał
- potencjalnie
- powered
- przewidzieć
- Przygotować
- teraźniejszość
- prezydent
- bardzo
- zasada
- Zasady
- przywilej
- nagroda
- prawdopodobnie
- Problem
- problemy
- wygląda tak
- produkować
- Wytworzony
- specjalistów
- Profesor
- Programy
- Postęp
- progresja
- projekt
- projektowanie
- Napędzać
- napędzany
- Propozycje
- napęd
- chroniony
- Publikacja
- Ściąga
- pompowanie
- Naciskać
- odepchnąć się
- popychany
- wypycha
- Popychanie
- położyć
- Putting
- jakościowy
- Magazyn ilościowy
- pytanie
- pytania
- reakcja
- real
- Prawdziwy świat
- Rzeczywistość
- naprawdę
- powód
- niedawny
- niedawno
- zalecenia
- nawrót
- zmniejszyć
- odzwierciedla
- Uważać
- niezawodność
- pamiętać
- raport
- reprezentować
- reprezentacja
- reprezentowane
- wymagać
- Wymaga
- Badania naukowe
- REST
- ujawniać
- Richard
- prawo
- Pierścień
- robotyka
- Rakieta
- rakietowa nauka
- run
- Powiedział
- taki sam
- PIASEK
- zobaczył
- powiedzieć
- powiedzenie
- mówią
- Szkoła
- Szkoły
- nauka
- Nauka i technika
- Naukowiec
- Naukowcy
- druga
- widzieć
- widzenie
- wydać się
- wydawało się
- wydaje
- wybór
- wysyła
- rozsądek
- wrażliwy
- służyć
- zestaw
- ustawienie
- ciężki
- Shape
- kształcie
- Rekiny
- ona
- wiaty
- arkusz
- przesunięcie
- błyszczeć
- Sklep
- strzał
- powinien
- pokazać
- Targi
- Sygnały
- Podpisy
- znaczący
- podobny
- podobieństwa
- Prosty
- uproszczony
- po prostu
- pojedynczy
- witryna internetowa
- siada
- Siedzący
- Powoli
- mniejszy
- Palić
- gładki
- So
- dotychczas
- strzelisty
- Obserwuj Nas
- słoneczny
- rozwiązanie
- Rozwiązania
- ROZWIĄZANIA
- Rozwiązywanie
- kilka
- coś
- gdzieś
- wyrafinowany
- Dźwięk
- Typ przestrzeni
- Podróż kosmiczna
- mówić
- Mówiąc
- specjalny
- prędkość
- Spędzanie
- Spotify
- rozpiętość
- Stabilność
- Stanford
- Uniwersytet Stanford
- gwiaździsty
- Gwiazdy
- początek
- rozpoczęty
- startup
- Stan
- trzon
- Ewolucja krok po kroku
- Steve
- steven
- klejący
- Nadal
- Historia
- strukturalny
- Walka
- student
- Studenci
- Studiował
- studia
- Badanie
- Studiowanie
- styl
- przedmiot
- Następnie
- sukces
- udany
- taki
- sugerować
- lato
- nałożenie
- wsparcie
- Utrzymany
- domniemany
- zaskakujący
- otaczający
- przetrwanie
- przetrwać
- Przetrwał
- Susan
- zawieszony
- pływa
- system
- systemowy
- systemy
- sprzęt
- Brać
- trwa
- biorąc
- Mówić
- rozmawiać
- Rozmowy
- zbiornik
- cel
- nauczony
- Techniki
- Technologies
- Technologia
- powiedzieć
- mówi
- REGULAMIN
- test
- przetestowany
- niż
- podziękować
- Podziękowania
- że
- Połączenia
- Strefa
- Przyszłość
- ich
- Im
- motyw
- sami
- następnie
- teoretyczny
- teoria
- Tam.
- Te
- praca
- one
- rzecz
- myśleć
- Myślący
- to
- tych
- chociaż?
- myśl
- wstrząśnięty
- Przez
- poprzez
- czas
- czasy
- do
- już dziś
- razem
- także
- wziął
- narzędzia
- Top
- tematy
- Wycieczka
- w kierunku
- śledzić
- przejście
- przezroczysty
- podróżować
- ogromny
- wypróbowany
- prawdziwy
- próbować
- turbulencja
- burzliwie
- SKRĘCAĆ
- włącza
- Tutorial
- tv
- Dwa razy
- drugiej
- rodzaj
- typy
- zazwyczaj
- parasol
- oryginalny
- zasadniczy
- zrozumieć
- podwodny
- Nieoczekiwany
- Niestety
- wyjątkowy
- Uniwersytety
- uniwersytet
- odblokować
- odblokowywanie
- aż do
- zbliżających
- us
- posługiwać się
- używany
- za pomocą
- zazwyczaj
- wartość
- zawór
- różnorodny
- pojazd
- wersja
- Przeciw
- pionowy
- pionowo
- początku.
- Wideo
- Filmy
- Zobacz i wysłuchaj
- Wrażliwy
- Budzić
- Walmart
- chcieć
- poszukiwany
- ostrzeżenie
- była
- Uzdatnianie wody
- Droga..
- sposoby
- we
- Bogactwo
- webp
- powitanie
- DOBRZE
- poszedł
- były
- Co
- Co to jest
- cokolwiek
- jeśli chodzi o komunikację i motywację
- czy
- który
- Podczas
- biały
- KIM
- cały
- dlaczego
- będzie
- wygrać
- wiatr
- wiatry
- zwycięzca
- w Zimie
- w
- w ciągu
- bez
- Wygrał
- pełen zdumienia
- Praca
- pracował
- pracujący
- świat
- zmartwiony
- wartość
- by
- dałbym
- napisać
- Źle
- rok
- lat
- tak
- jeszcze
- You
- Twój
- zefirnet