Гипнотизм гидродинамики
Посмотрите на видео, демонстрирующие физику жидкостей во всей красе
Среди далеких от науки людей нередко распространено мнение, что наука убивает красоту или что дотошный ученый с аналитическим взглядом на мир не способен получать эстетическое наслаждение от окружающего мира. Такую точку зрения несложно опровергнуть с помощью рациональных доводов, но иногда лучше просто показать контрпример. Перед вами — работы новоиспеченных лауреатов Галереи текучего движения (Gallery of Fluid Motion) этого года — конкурса визуального представления работ по механике газов и жидкостей.
Проколотые капли
На этом видео капля воды попадает на конус с супергидрофобной поверхностью. Покрытия с такими свойствами несмачиваемы и отталкивают воду.
В результате капля отскакивает от вершины конуса и принимает форму тора, а затем распадается на кольцо из меньших капелек. Так проявляют себя силы со стороны поверхности — они заставляют кольцо расширяться, из-за чего оно и разрушается.
Кристаллические существа
Если наблюдать за испарением капли соленой воды на гидрофобной поверхности, то можно заметить, как она в итоге превратится в сферу из кристаллической соли.
Авторы этого видео дополнительно нагревали подложку, что привело к появлению нового феномена — возникающие сгустки стали отращивать «ножки» и подниматься на них вверх. Оставшаяся в сфере жидкость поступала по «ножкам» к подложке, где испарялась, а принесенная ею соль позволяла структурам расти.
Галерею текучего движения ежегодно устраивает Американское физическое общество. Участникам необходимо представить постер или видео о своем исследовании, которые были бы впечатляющими с визуальной точки зрения и при этом опирались на серьезную научную составляющую. Все работы этого года можно увидеть на сайте Галереи.
Ученые провели множество подобных экспериментов, благодаря чему смогли даже выделить наиболее типичные формы получающихся «кристаллических существ».
Цветущий узор высыхающей капли
Опыт на этом видео также связан с высыханием капель, но вместо растворенной соли вода здесь содержит взвесь наночастиц. Растекшаяся по смачиваемой поверхности жидкость высыхает от края к центру, при этом оставляя твердый осадок из слипшихся частиц.
Так как объем вещества изменяется, то по мере улетучивания воды в осадке нарастают механические напряжения. Они приводят к появлению трещин, образующих регулярный узор, напоминающий лепестки цветка. Неравномерность возникающих сил также заставляет слой наночастиц изгибаться и приподниматься над подложкой.
Представление о красоте науки можно получить и с помощью других примеров: бесконечные узоры фракталов, витиеватые траектории объектов в задаче трех тел или топологически оптимизированные строительные детали. Правда, для этого необходимо хотя бы на базовом уровне представлять себе стоящую за этими картинками абстрактную математическую формулировку.
Механизм формирования узора из трещин сильно напоминает каскадный разлом, с помощью которого недавно объяснили тигровые полосы на южном полюсе Энцелада.
Пузыри опрокидывающихся волн
Хорошо известно, что переворачивающиеся гребни морских волн создают пену, однако многие численные модели воды не воспроизводят этого поведения.
Авторы этого видео модифицировали программы, так что в них пузыри стали сливаться друг с другом и с поверхностью воды намного хуже. В результате ученым удалось воспроизвести формирование пены с сохранением захваченного водой объема воздуха.
Качающиеся струи
Изучением течения жидкостей малых объемов по узким каналам занимает раздел гидродинамики под названием микрофлюидика. Самым простым примером подобного процесса является работа печатающей головки струйного принтера, но в науке в последние годы наблюдается активное развитие экспериментальных методов, в первую очередь для нужд молекулярной биологии.
На этом видео показано, что в микрофлюидных системах могут возникать устойчивые колебания, причем их появление полностью определено геометрией системы.
Противовращающиеся спиральные вихри
Если локальное давление в воде падает ниже давления насыщенного пара, то случается кавитация — образование пузырьков пара внутри толщи жидкости. Чаще всего такое происходит на кромках быстро вращающихся лопастей гребных винтов.
В этом видео показано взаимодействие потоков от двух вращающихся в разные стороны винтов. Формирующиеся спирали из кавитационных пузырьков сталкиваются между собой, порождая дополнительные изгибы, а также вторичные вихри и спиральные течения.
Газ из лопающегося пузыря
Образование пузырей важно во многих контекстах, начиная от круговорота воды на планете до вскрытия бутылок шампанского и пива. В этом контексте физики обычно изучают разрыв тонких пленок жидкости.
Авторы этого видео решили сосредоточиться на покидающем пузырь газе. Оказалось, что лопающийся пузырь может «пускать кольца», то есть порождать несколько быстро движущихся тороидальных вихрей, способных удаляться на расстояния в разы больше диаметра пузыря.
Ученые также исследовали влияние на этот процесс таких свойств жидкости, как поверхностное натяжение, плотность и вязкость.
Тимур Кешелава
Для скалярной константы связи удалось уточнить предел почти на порядок
Физики из Великобритании получили наиболее жесткие на сегодняшний день ограничения на параметры ультралегкой темной материи. Для этого они использовали данные атомных часов и новый модельно-независимый подход к изучению вариаций во времени этих параметров и других фундаментальных констант. Работа опубликована в журнале New Journal of Physics. По современным представлениям темной материи во Вселенной примерно в пять раз больше обычного вещества. Она не участвует в электромагнитных взаимодействиях и поэтому недоступна прямому наблюдению. Наиболее вероятные кандидаты на роль темной материи — вимпы — до сих пор экспериментально не обнаружены. Поэтому ученые рассматривают и другие теории о составе темной материи: от сверхлегких частиц, например, аксионов, до первичных черных дыр. Ранее ученые уже использовали данные атомных часов для ограничения параметров ультралегкой темной материи с массой менее 10-16 электронвольт. На этот раз физики Натаниель Шерилл (Nathaniel Sherrill) и Адам О Парсонс (Adam O Parsons) с коллегами из университета Сассекса и Национальной физической лаборатории в Теддингтоне предложили новый модельно-независимый подход к изучению временных вариаций фундаментальных констант при анализе данных атомных часов. При этом количество свободных параметров увеличилось, что по мнению ученых позволит тестировать различные модели и их константы связи. Чтобы проверить новый подход в действии, физики использовали три типа атомных часов: на основе атомов стронция Sr в решетчатой ловушке, на основе ионов иттербия Yb+ в ловушке Пауля и атомные часы на цезиевом фонтане Cs. Частоты всех часов измерялись относительно водородного мазера, после чего рассчитывались отношения частот Yb+/Sr, Yb+/Cs и Sr/Cs. Это позволило исключить возможные ошибки, связанные с нестабильностью работы мазера из-за изменения параметров окружающей среды. Генерируемые частоты во всех часах зависят от соотношений постоянной тонкой структуры и массы электрона. Поэтому из взаимных измерений частот трех часов можно получить колебания со временем этих констант. Особенностью эксперимента стала независимость измерений от предполагаемой функциональной зависимости констант от времени. Поэтому полученные ограничения могут быть использованы при рассмотрении любых гипотетических моделей. В частности, ученые получили ограничения на константы связи гипотетических частиц темной материи в области масс от 10-20 до 10-17 электронвольт. Для скалярной константы связи dγ(1) физикам удалось исключить новую область параметров, усилив предыдущий предел примерно на порядок. Ученые до сих пор не могут определить параметры темной материи, хотя и видят ее проявления в различных процессах. Чтобы лучше разобраться, какие на сегодняшний день существуют модели, описывающие темную материю, пройдите наш тест.