Ворсистые поверхности уменьшили вязкое сопротивление жидкостей
Группа гидродинамиков из Массачусетского Технологического Института изучила, как ворсистость поверхности влияет на свойства текущей вдоль нее жидкости. Оказалось, что изгибание ворсинок приводит к достаточно сложному, но вполне определенному изменению течения. Это помогает защитить поверхность от дополнительной нагрузки со стороны потока и позволяет управлять вязким сопротивлением. Исследование опубликовано в Nature Physics.
Биомехаников из различных областей всегда интересовало, как наличие гибких элементов на различных поверхностях влияет на поток жидкости или газа вдоль них. В случае больших размеров, больших скоростей и маленьких вязкостей такая ситуация описывает, например, ветер, дующий вдоль леса или поля. Обратная ситуация — большие вязкости и маленькие размеры — описывает поверхности, находящиеся внутри человеческого тела: стенки сосудов, поверхность языка или первичные реснички на клетках почек. И если первый случай изучен уже довольно давно (там доминируют эффекты, связанные с инерцией воздушной среды), то для второго все несколько сложней. В этом случае из-за деформации образованного ворсинками «волосяного слоя» жидкость вблизи поверхности начинает вести себя как неньютоновская, и ее вязкость становится зависимой от скорости, что значительно усложняет изучение задачи.
В своей новой работе гидродинамики предложили теорию, которая описывает взаимное влияние ворсинок и жидкости друг на друга, и проверили ее с помощью лабораторного эксперимента, в котором наблюдали за течением вязкой жидкости вдоль поверхности, покрытой упругими волосками микронного размера. Сложность задачи состояла в том, что течение жидкости вокруг таких ворсинок приводило к их деформации, что в свою очередь изменяло картину течения. Для упрощения решения такой совместной нелинейной задачи ученые сделали допущение, что все напряжение в процессе изгиба ворсинки приходится только на ее кончик.
Оказалось, что для каждой конкретной геометрии волосяного слоя (длины, толщины и густоты волосков) и масштаба течения можно выделить три основных режима в зависимости от скорости жидкости. В случаях очень маленькой или очень большой скорости задача упрощается, и ворсинки принимают одну из двух устойчивых конформаций (слабо или сильно деформированных, соответственно), для которых деформация линейно связана с напряжением. Наибольший же интерес вызвала область промежуточных скоростей, при которых ворсинки из-за стремления снизить свое вязкое сопротивление переходят из одной конформации в другую. Диапазон скоростей, при которых происходит смена конформации, зависит от длины волосков: так, для длинных ворсинок эта область достаточно широкая, а для совсем коротких — не наблюдается вовсе.
Связав параметры течения (в частности, вязкое сопротивление) с геометрией волоска в состоянии смены конформации, ученые обнаружили, что зависимость снижения сопротивления от скорости имеет довольно сложный нелинейный характер. Было предположено, что в живых организмах это помогает защитить поверхность от избыточных нагрузок, что может оказаться важным, например, для довольно чувствительных аппаратов механотрансдукции, которые преобразуют механическое воздействие на ткань в клеточные сигналы.
Кроме вертикальных ворсинок, ученые также расмотрели ситуацию, когда они выходят из поверхности под определенным углом. Так, предложенная модель предсказывает увеличение сопротивления для течения жидкости «против шерсти» и уменьшение сопротивления для течения «по шерсти» и количественно согласуется с экспериментальными данными. Это наблюдение предполагает возможное использование ворсистых поверхностей, например, в микрофлюидике, где они могут применяться в качестве управляемого элемента насоса или создания гидродинамического диода, в котором вязкое сопротивление в микроканале сильно зависит от направления течения.
Такие гидродинамическими диоды из ворсистых материалов помогут в дальнейшем упростить схему и увеличить эффективность микрофлюидных чипов для разделения клеток или медицинского экспресс-анализа, о которых мы писали ранее.
Александр Дубов
Редкий процесс рассмотрели в совместном массиве данных экспериментов CMS и ATLAS
На Большом адронном коллайдере впервые нашли убедительные следы редкого распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон. Его увидели со статистической точностью в 3,4σ в объединенных данных экспериментов CMS и ATLAS по протон-протонным столкновениям за 2015-2018 года. Обнаруженный сигнал совпал с предсказаниями Стандартной модели, но в будущем подробное изучение распада поможет в поиске различий между теорией и экспериментом. О своих результатах физики рассказали на конференции LHCP-2023, подробнее об открытии сообщается в сопровождающей записке. Бозон Хиггса — знаменитая элементарная частица, объясняющая существование инертной массы у ряда частиц Стандартной модели. Существование этой частицы теоретически предсказал Питер Хиггс еще в 1964 году, а в 2012 году ее обнаружили эксперименты CMS и ATLAS на Большом адронном коллайдере. Бозон Хиггса стал последней экспериментально открытой частицей Стандартной модели, но на этом его исследование не закончилось. Те же самые ATLAS и CMS продолжили изучать свойства бозона, в числе которых — каналы его распада и сила его взаимодействия с другими частицами. Почти все предсказываемые Стандартной моделью свойства бозона Хиггса удалось подтвердить. Но некоторые из распадов этой частицы чрезвычайно редкие, поэтому чтобы увидеть и изучить их необходимо накопить особенно большой массив экспериментальных данных. Один из таких распадов — канал в один переносчик слабого взаимодействия Z-бозон и один фотон. Согласно теории, для бозона Хиггса с массой в 125 гигаэлектронвольт доля этого распада среди всех остальных — примерно 0,15 процента. Именно в такие редкие распады физики изучают в поисках расхождения экспериментальных данной со Стандартной моделью, у которой не получается объяснить ряд проблем в современной физике. Отклонение вероятности такого распада от стандартных теоретических предсказаний могло послужить аргументом в пользу моделей, в которых бозон Хиггса на самом деле нейтральный скаляр или сложная частица. Это же может указать на правдивость теорий с дополнительными еще не открытыми бесцветными заряженными частицами, которые взаимодействуют с бозоном Хиггса через петлевые поправки. Теперь же ученым впервые удалось рассмотреть распад бозона Хиггса на Z-бозон и фотон в результатах экспериментов CMS и ATLAS. Физики проанализировали данные, накопленные за 2015-2018 года в ходе протон-протонных столкновений при энергии в системе центра масс в 13 тераэлектронвольт. Z-бозон искали через продукты уже его распада на мюонную или электрон-позитронную пару с массой больше 50 мегаэлектронвольт. Сам распад идентифицировали через пик инвариантной массы пары Z-бозона и фотона в окрестности массы бозона Хиггса — 125 гигаэлектронвольт. Для увеличения чувствительности анализа данных к изучаемому распаду все события-кандидаты разделяли на несколько категорий в зависимости от канала рождения бозона Хиггса, накладывали ограничения на кинематику продуктов распада, а также использовали машинное обучение. В результате физики увидели искомый распад со статистической точностью в 2,2σ для данных ATLAS и 2,6σ для данных CMS, что в сумме дало статистическую точность в 3,4σ. Также ученые оценили силу сигнала µ — отношение наблюдаемого в эксперименте произведения сечения и вероятности распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон к предсказываемому Стандартной моделью значению. Полученное значение µ = 2.2 ± 0.7 хоть и говорит о результате в два раза больше теоретических предсказаний, но из-за высокой погрешности согласуется с теорией со статистической точностью в 1,9σ. При этом доля изучаемого распада бозона Хиггса среди других его распадов оказалась равной (3.4 ± 1.1) × 10−3. Таким образом, для проверки предсказаний Стандартной модели в данном канале распада все еще требуется больше экспериментальных данных. Это далеко не первый редкий распад бозона Хиггса, который зарегистрировали на Большом адронном коллайдере. К примеру, ранее те же эксперименты CMS и ATLAS увидели канал распада на два мюона. А о том, как и почему для изучения таких редких распадов собираются строить электрон-позитронную хиггсовскую фабрику, можно почитать в нашем материале «100 ТэВ на перспективу».