Ученые обнаружили новый тип перемешивания жидкости при оседании частиц, и он противоречит тому, что физики считали верным долгие годы. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Команда из Окинавского института науки и технологий совместно с коллегами из Туринского университета смоделировала на компьютере, как около 100 тыс. крошечных плотных шариков опускаются сквозь спокойную воду. Расчетов проведено было неимоверное количество. Виртуальное пространство разбили на сотни миллионов точек, и каждый шарик «чувствовал» десяток ближайших из них. Начальная концентрация частиц составляла примерно 10% от общего объема.
Падающий рой повел себя неожиданно, он разделился на две части. В верхней частицы держались вместе и опускались даже медленнее, чем падала бы одна-единственная — вытесненная вода давила снизу вверх и тормозила всю массу. В самом низу роя, который первым врезается в чистую воду снизу частицы сбивались в струи и разгонялись. Головная часть облака двигалась в 1,5 раза быстрее одиночной частицы, хотя основная масса при этом продолжала тормозить все это множество.
Раньше считалось, что зона перемешивания растет по знакомому закону, но в симуляции вместо ожидаемого значения получилось ~1,375. Это значит, что граница расширяется быстрее, чем предсказывала теория, но не максимально быстро. Такой результат раньше никто не видел, и самое важное — он не меняется при разных условиях, значит это не случайность, а новый физический закон.
Описать его удалось с помощью удивительно простой модели, построенной на двух очевидных вещах: частицы не возникают из воздуха и не исчезают, а скорость падения каждой зависит от того, сколько других частиц окружает ее в данный момент. Этого оказалось достаточно, и модель точно воспроизвела поведение всей системы.
Открытие может объяснить многие парадоксы в природе и промышленности. Когда мутная река впадает в море, пепел вулкана оседает в атмосфере или органические остатки тонут в океане, унося питательные вещества на глубину, везде работает тот же механизм. Понимать его точнее значит лучше предсказывать, куда уносится загрязнение, как ведут себя вулканические облака и как питаются жители морских экосистем.
Интересно, что похожий эффект люди наблюдают каждый день, просто не задумываются об этом. Когда ложку сахара бросают в чай, облако кристаллов на секунду ведет себя именно так: передние частицы разгоняются и тянут за собой вихри, а основная масса медленно оседает на дно. Или снегопад — снежинки у земли падают иначе, чем в верхних слоях, потому что внизу они уже мешают друг другу. Физики смотрели на это веками, но правильных уравнений так и не вывели.
Еще удивительнее другое. Чем легче частицы относительно жидкости, тем сильнее проявляется эффект. То есть почти невесомые хлопья или споры водорослей перемешивают воду активнее, чем тяжелый речной песок. Оказывается, именно легкие, почти парящие частицы создают в воде самый сильный хаос на границе слоев.
Ранее мы писали о том, что ученые раскрыли связь темной материи с космологическими магнитными полями.