Các quả cầu nhiễu loạn được cô lập bằng các vòng xoáy – Physics World

Các quả cầu nhiễu loạn được cô lập bằng các vòng xoáy – Physics World

Dấu thời gian: 26:2023 sáng ngày 9 tháng 05 năm XNUMX

Quả bóng hỗn loạn
Quả bóng hỗn loạn: William Irvine, Takumi Matsuzawa và các đồng nghiệp đã sử dụng thiết bị này để theo dõi sự hỗn loạn bằng tia laser và camera tốc độ cao. (Ảnh: Takumi Matsuzawa)

Các nhà nghiên cứu ở Mỹ đã cô lập một quả cầu nhiễu loạn bên trong một bể nước và duy trì nó bằng cách bắn các vòng xoáy từ các góc của bể. William Irvine và các đồng nghiệp tại Đại học Chicago cho biết kĩ thuật mới của họ có thể dẫn đến một sự biến đổi trong cách nghiên cứu thực nghiệm nhiễu loạn.

Từ dòng xoáy đến dòng khí xoáy trong không gian giữa các vì sao, nhiễu loạn là nền tảng cho hoạt động của nhiều hệ thống khác nhau trong tự nhiên. Đặc điểm chính của nó là dễ dàng phát hiện và bao gồm những dao động không đều và thất thường về vận tốc và áp suất. Tuy nhiên, bất chấp sự phổ biến của chúng, các nhà nghiên cứu vẫn gặp khó khăn trong việc mô tả chính xác cách thức hoạt động của chất lỏng hỗn loạn.

“Sự hỗn loạn xuất hiện ở mọi nơi xung quanh chúng ta, nhưng nó luôn lảng tránh những gì các nhà vật lý coi là một mô tả thỏa đáng.” Irvine giải thích. “Ví dụ, nếu bạn hỏi, tôi có thể dự đoán điều gì sẽ xảy ra tiếp theo khi tôi chọc vào vùng hỗn loạn này không? Câu trả lời là không. Thậm chí còn không thực sự với một siêu máy tính.”

Kiểm soát nhiễu loạn

Mặc dù dòng chảy rối có thể được tạo ra và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, nhưng rất khó ngăn cản chất lỏng chảy rối tương tác với thành bình chứa nó hoặc với thiết bị khuấy được sử dụng để tạo ra dòng chảy rối. Cho đến nay, bước thụt lùi này đã khiến các nhà vật lý không thể hiểu được chất lỏng hỗn loạn tiến triển như thế nào theo thời gian nếu không bị xáo trộn, hoặc cách chúng phản ứng với những nhiễu loạn được kiểm soát.

Để giải quyết thách thức này, nhóm của Irvine đã tìm cách tạo ra một vùng hỗn loạn hoàn toàn biệt lập bằng cách sử dụng các vòng xoáy. Đây là những vòng xoáy chất lỏng tạo ra sự hỗn loạn khi chúng va chạm với nhau.

Lúc đầu, Irvine và các đồng nghiệp thực hiện điều này bằng cách đặt các vòng phản lực tạo ra dòng xoáy ở hai đầu của một bể nước. Nước được gieo những bong bóng để hình dung chuyển động của các vòng. Mặc dù ban đầu người ta quan sát thấy sự hỗn loạn, nhưng cuối cùng các dòng chảy lại kết hợp lại để tạo ra các tập hợp vòng mới, làm lệch khỏi điểm va chạm ban đầu.

Tám vòng xoáy

Trong nghiên cứu mới nhất của họ, đội của Irvine đã đặt một vòng phản lực ở mỗi góc của bể – mang lại kết quả thú vị hơn nhiều. Khi tám vòng xoáy va chạm vào nhau, chúng tạo ra một quả cầu hỗn loạn gần như hình cầu ở trung tâm bể. Quả bóng không chỉ bị cách ly hoàn toàn với thành bể; nó có thể được duy trì chỉ bằng cách định kỳ bắn thêm vòng xoáy vào bể.

“Không ai biết điều này thậm chí còn có thể xảy ra,” thành viên nhóm nói Takumi Matsuzawa. “Sự hỗn loạn rất tốt trong việc trộn lẫn mọi thứ; nếu bạn trộn sữa vào cà phê, bạn chỉ có thể khuấy một hoặc hai vòng trước khi nó hòa quyện hoàn toàn. Việc chúng tôi có thể ngăn chặn nó tại chỗ là điều rất đáng ngạc nhiên.”

Giống như bình tĩnh ngồi trên cánh đồng dã ngoại và nhìn cơn bão đang hoành hành cách đó 50 feet

William Irvine

Với thiết lập này, nhóm nghiên cứu có thể kết hợp các vòng xoáy giống như các khối LEGO – các thông số kiểm soát bao gồm năng lượng và độ xoắn của các vòng – thông số sau mô tả các xoáy quay theo chiều kim đồng hồ hay ngược chiều kim đồng hồ.

Đổi lại, họ có thể tinh chỉnh các thông số của sự chuyển động hỗn loạn bên trong quả bóng, sau đó quan sát nó tiến triển như thế nào khi họ duy trì nó với nhiều vòng xoáy hơn – hoặc nó biến mất như thế nào khi họ ngừng thêm các vòng xoáy mới. Irvine mô tả: “Giống như bình tĩnh ngồi trên cánh đồng đi dã ngoại và ngắm nhìn một cơn bão đang hoành hành cách đó 50 feet”.

Hiện tại, các nhà nghiên cứu hy vọng công trình của họ có thể dẫn đến bước đột phá trong việc phát triển các kỹ thuật mới để nghiên cứu nhiễu loạn. Bằng cách điêu khắc các dòng chảy hỗn loạn bằng cách sử dụng các vòng xoáy, họ cho thấy rằng nhiễu loạn có thể được coi là một trạng thái của vật chất với các đặc điểm có thể được kiểm soát và vận dụng một cách cẩn thận.

Đổi lại, điều này có thể mở đường cho một loạt các thí nghiệm mới, khám phá nhiều ví dụ khác nhau về dòng chảy rối trong tự nhiên. Irvine nói: “Tôi thực sự hy vọng điều này có thể giúp mở ra một sân chơi mới trong lĩnh vực này”.

Nghiên cứu được mô tả trong Vật lý tự nhiên.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý