Движение велосипедистов в пелотоне описали с помощью циркуляции жидкости
Американские физики показали, что движение велосипедистов внутри пелотона напоминает циркуляцию жидкости, и описали два типа волн, которые могут распространяться по группе. Неожиданно оказалось, что гонщики вовсе не стремятся занять наиболее аэродинамически выгодное положение, но стараются удерживать своих соседей в области периферического зрения. Об этом ученые сообщили на 71-ой ежегодной встрече Отдела гидродинамики Американского физического сообщества (71st Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics). Кратко об исследовании сообщает Phys.org.
Как правило, в течение велогонки велосипедисты разделяются на три группы: пелотон (основная группа), «отрыв» (самые быстрые гонщики) и «отвал» (отстающие). В пелотоне гонщики едут очень тесно друг к другу и движутся как единое целое, напоминая косяк рыб или рой пчел. Это позволяет велосипедистам экономить энергию: основной удар набегающего воздуха приходится на первые ряды, тогда как остальные велосипедисты находятся в аэродинамической тени. По различным оценкам, сопротивление воздуха, которое действует на участников основной группы, составляет примерно 5–10 процентов от сопротивление воздуха, обдувающего одиночного велосипедиста.
С другой стороны, пелотон — замечательный пример коллективного движения активной материи. Активная материя — это система, состоящая из большого числа активных объектов, которые потребляют энергию и движутся как единое целое. Раздел физики конденсированного состояния, который изучает такие системы, в настоящее время активно развивается: первая модель, описывающая поведение активной материи, была предложена в 1995 году, а всего через десять лет исследователи обнаружили в ней фазовый переход и предложили обобщение. К сожалению, ученые все еще плохо понимают, какие процессы управляют такими системами. Поэтому важно найти закономерности в движении активных объектов, которые помогут разработать корректную теорию. В этом смысле движение велосипедистов представляет особый интерес, поскольку ученые могут не только наблюдать за их поведением, но и установить мотивацию отдельных гонщиков — в отличие от рыб или пчел, людей можно спросить или подвергнуть подробному обследованию.
Группа ученых под руководством Джесси Бельдена (Jesse Belden) исследовала поведение пелотона с помощью аэрофотосъемки нескольких велогонок. В результате физики обнаружили, что движение гонщиков внутри пелотона напоминает циркуляцию двумерной жидкости, а также выделили два типа волн, которые могут распространяться по группе. Во-первых, волны могут бегать вдоль направления движения группы — например, когда гонщики резко тормозят, заставляя группу сжиматься. Во-вторых, по группе могут распространяться поперечные волны, которые возникают, когда велосипедисты объезжают препятствие или пытаются занять более выгодную позицию.
Кроме того, физики показали, что динамика пелотона в основном определяется зрением велосипедистов. В самом деле, каждый гонщик удерживает своих соседей в поле периферического зрения, которое сравнительно хорошо отслеживает движение. Кроме того, скорость движения волн можно связать со скоростью реакции велосипедистов и расстоянием между членами группы. С другой стороны, аэродинамические эффекты практически не влияют на движении пелотона как целого, хотя и сказываются на движении крайних рядов. Авторы статьи подчеркивают, что велосипедисты вовсе не стремятся принять наиболее аэродинамически выгодную форму, хотя ранее ученые считали, что именно это стремление больше всего влияет на динамику пелотона.
В июне 2017 года исследователи из Центральной школы Лиона обнаружили, что движение футболистов во время футбольных матчей напоминает движение частиц в двумерных слоях жидкости в ограниченном объеме. Несмотря на то, что в каждый момент времени движение футболистов придерживалось какой-то тактики, то есть было осмысленным, на большом временном масштабе игроки в среднем изменяют свое направление движения на 120 градусов, как и частицы в жидкости. В декабре 2016 физики из Франции и Аргентины показали, что для формирования косяков участникам движения достаточно просто видеть и реагировать на моментальное присутствие других объектов. А в марте 2016 года ученые из Турции, Франции и Великобритании научились управлять коллективным движением активной материи с помощью неупорядоченного внешнего воздействия.
Дмитрий Трунин
Это нельзя объяснить классической теорией разрушения
Физики экспериментально продемонстрировали, что скорость трещины от растяжения в хрупком нео-гуковском материале может превосходить предел, диктуемый классической моделью такого разрушения, — скорость Рэлея. Исследование опубликовано в журнале Science. Изучать механизмы разрушения в основном важно для инженерных задач: при проектировании конструкций, выборе материалов, а также для геофизики — например, при описании землетрясений. В частности, интерес представляет скорость распространения трещин при разных типах разрушений. Когда материал разрушается из-за растяжения в перпендикулярном плоскости трещины направлении, классическая линейно-упругая механика разрушения разрешает трещине распространяться не быстрее скорости Рэлея (характеристика среды). Более высокие скорости нарушают баланс между потоком потенциальной энергии в область разрушения и энергетическими затратами на рост трещины, на котором основана модель. Это ограничение, однако, не согласуется с компьютерными симуляциями поведения гиперупругих материалов, что говорит о неполноте классической модели. Тем не менее, надежное экспериментальное подтверждение скорости трещин при растяжении выше рэлеевских до недавнего времени отсутствовало. Физики из Еврейского университета в Иерусалиме под руководством Джея Файнберга (Jay Fineberg) экспериментально продемонстрировали движение трещины, возникающей при растяжении, со скоростью выше рэлеевской. Для этого они использовали листы полиакриламидных гидрогелей — это хрупкий нео-гуковский материал, то есть линейно эластичный при малых относительных деформациях, в соответствии с законом Гука, и нелинейно эластичный — при росте относительной деформации. Ширины образцов по оси растяжения составляли 20–80 миллиметров, толщина — около четверти миллиметра. На поверхности этих листов исследователи наносили квадратную решетку с длиной стороны 80 микрометров, чтобы отслеживать деформации, а затем растягивали листы и следили за их разрушением при разной величине растяжения при помощи рапидной съемки. Авторы также создавали на образцах небольшие прямые борозды шириной в десятые доли миллиметра посередине между краями растяжения листа, и отдельно наблюдали за развитием трещин в таких истонченных листах. Наблюдения проводились для относительных растяжений (то есть отношений разности ширины растянутого и исходного образца к исходной ширине) вплоть до 60–70 процентов. В результате физики установили, что критическая величина относительного растяжения, при которой трещина начинает двигаться со сверхрэлеевской скоростью, составляет примерно 19±1 процентов. При этом скорость трещины нарастает по мере ее движения и стремится к пределу, который увеличивается с ростом относительной деформации, и в условиях эксперимента не зависит от истончения и ширины образца. Авторы исследовали также зависимость величины критического относительного растяжения от химического состава гидрогеля — для этого они измерили эту величину при разных концентрациях мономеров и кросс-линкеров («сшивающие» мономеры в полимер вещества). Варьируя эти концентрации вместе и по отдельности, физики выявили прямую пропорциональную зависимость между критическим относительным растяжением и квадратным корнем отношения концентрации мономеров к концентрации кросс-линкеров. По словам ученых, это указывает на переход от спиральных полимерных цепочек к растянутым цепочкам вблизи вершины трещины, что может в будущем прояснить механизм образования трещин со сверхрэлеевской скоростью распространения. Современные открытия встречаются не только за рамками линейно-упругой теории разрушения, но и в ее пределах: ранее мы рассказывали о том, как физики объяснили отталкивание между трещинами с помощью классического подхода.