Турбулентност, най-старият нерешен проблем в физика

Увеличи / “Моля, подгответе кабината за технически дискусии по физика … ”

Вернер Хайзенберг спечели Нобеловата награда през 1932 г. за помощ при създаването областта на квантовата механика и разработването на основополагащи идеи като копенхагенската интерпретация и принципа на несигурността. Историята отива, че веднъж е казал това, ако му бъде позволено да пита Бог два въпроса, те биха били: „Защо квантовата механика? И защо турбуленция? ”Предполага се, че той беше почти сигурен, че Бог ще може answer the first question.Werner Heisenberg.Увеличи / Werner Heisenberg.

Цитатът може да е апокрифен и има различни версии плаващ наоколо. Независимо от това, вярно е, че Хайзенберг удари главата му срещу проблема с турбулентността от няколко години.

Неговият съветник по дипломната работа Арнолд Сомерфелд назначи вълненията проблем за Хайзенберг, просто защото той не смяташе никой друг студентите бяха изправени пред предизвикателството – и този списък от студенти включваше бъдещи светила като Волфганг Па и Ханс Бете. Но Изключителните математически умения на Хайзенберг, които му позволиха да направи смел крачки в квантовата механика, само му осигуриха частично и ограничен успех с турбулентност.

Някои близо 90 години по-късно, усилието да се разбере и предскаже турбуленцията остава от огромно практическо значение. турбулентност фактори в проектирането на голяма част от нашите технологии, от самолети до тръбопроводи и това дава фактор за прогнозиране на важни естествени явления като времето. Но защото нашето разбиране за турбуленцията във времето остана до голяма степен временна и ограничена, развитие на технология, която взаимодейства значително с течността потоците отдавна са принудени да бъдат консервативни и постепенни. ако само ние станахме господари на това повсеместно явление на природата, тези технологии може да са свободни да се развиват в по-въображаеми посоки.

Неопределено определение

Ето момента, в който може да очаквате да обясним турбулентност, очевидно предмет на статията. За жалост, физиците все още не са съгласни как да го дефинират. Не е доста лошо като „знам го, когато го видя“, но не е най-доброто определена идея и във физиката.

Затова засега ще направим обща представа и ще се опитаме да направим малко по-прецизно по-късно. Общата идея е тази турбулентност включва сложното, хаотично движение на течност. “Течност” във физиката приказката е всичко, което тече, включително течности, газове, а понякога дори и гранулирани материали като пясък.

Турбуленцията е навсякъде около нас, но обикновено е невидима. просто махайте с ръка пред лицето си и вие сте създали неизмеримо сложни движения във въздуха, дори ако не можете да го видите. Движенията на течностите обикновено са скрити за сетивата, освен при интерфейс между течности, които имат различни оптични свойства. Например, можете да видите вихрите и вихрите на повърхността на a течаща рекичка, но не и моделите на движение под повърхността. Историята на напредъка в динамиката на течностите е тясно свързана с история на експериментални техники за визуализиране на потоци. Но дълго преди появата на съвременните технологии на датчици за потока и високоскоростно видео, имаше и такива, които бяха очаровани от разнообразие и богатство на сложни модели на потока.

One of the first to visualize these flows was scientist, artist, и инженер Леонардо да Винчи, които комбинираха запалени наблюдения  умения с несравним артистичен талант за каталогизиране на бурен поток  явления.  През 1509 г. Леонардо не рисува само картини.  Той се опитваше да улови същността на природата чрез  систематично наблюдение и описание.  На тази фигура виждаме такава  от неговите проучвания за събуждане на турбулентността, развитието на регион на  хаотичен поток, докато водата тече покрай препятствие. Enlarge/ Един от първите, които визуализираха тези потоци, беше учен, художник, and engineer Leonardo da Vinci, who combined keen observationalskills with unparalleled artistic talent to catalog turbulent flowphenomena. Back in 1509, Leonardo was not merely drawing pictures.He was attempting to capture the essence of nature throughsystematic observation and description. в this figure, we see oneof his studies of wake turbulence, the development of a region ofchaotic flow as water streams past an obstacle.

За да може турбуленцията да се счита за решен проблем във физиката, ние би трябвало да е в състояние да демонстрира, че можем да започнем с основно уравнение, описващо движението на течността и след това да го решим прогнозирайте подробно как дадена течност ще се движи при всеки определен набор на условията. Това, че не можем да направим това по принцип, е централното причина много физици смятат турбуленцията за нерешена проблем.

Допълнителна информация

Безкрайната главоблъсканица на класическата физика

Казвам „много“, защото някои смятат, че трябва да се има предвид решен, поне по принцип. Техният аргумент е, че изчисляването турбулентните потоци са просто приложение на законите на движението на Нютон, макар и много сложен; вече знаем законите на Нютон, така че всичко останало е само детайл. Естествено, аз държа точно обратното изглед: доказателството е в пудинга и този конкретен пудинг има все още не излезе правилно.

Липсата на пълна и удовлетворяваща теория за турбуленцията по класическа физика дори доведе до внушения, че пълен сметка изисква някои квантови механични съставки: това е a изглед за малцинство, но такъв, който не може да бъде отхвърлен.

Бележка за физиците и инженерите там

Ще използвам „скоростта“ в тази статия като готовност за Рейнолд номер. Това е комбинацията от скорост, мащаб на дължината и вискозитет, който всъщност определя вида на потока, включително дали трябва да очакваме турбуленция. Но ако държите другото фактори постоянни, тя е пропорционална на скоростта на потока.

Пример защо се казва, че турбуленцията е нерешен проблем е, че по принцип не можем да предвидим скоростта, с която един подреден, нетурбулентният (“ламинарен”) поток ще направи прехода към a турбулентен поток. Ние можем да се справим доста добре в някои специални случаи – това беше един от проблемите, с които Хайзенберг имаше известен успех – но, като цяло нашите правила за прогнозиране на скоростите на прехода are summaries of experiments and engineering experience.There are many phenomena in nature that illustrate the often внезапна трансформация от спокоен, подреден поток към бурна  flow.Enlarge/ В природата има много явления, които илюстрират често sudden transformation from a calm, orderly flow to a turbulentпоток.Преходът към турбуленция. Кредит: Д-р Гари Сетълс (CC-BY-SA 3.0)

Тази цифра вдясно е хубава илюстрация на този преход феномен. Показва горещия въздух, издигащ се от пламък на свещ, използвайки техника за визуализация от 19 век, която създава газове с различна плътност изглеждат различно. Ето, въздухът, нагряван от свещта е по-малко гъста от околната атмосфера.

За още един бурен преходен феномен, познат на всеки който посещава плажа, помислете за нежни, търкалящи се океански вълни стават сложни и пенести, когато се приближават до брега и се „счупят“ откритият океан, задвижвани от вятъра вълни също могат да се счупят, ако скоростта на вятъра е висока или ако няколко вълни се комбинират, за да образуват по-голяма.

За друга визуална помощ има многовековна традиция в Японска живопис на изобразяващи бурни, разчупващи се океански вълни. Inтези картини, вълните не са просто част от пейзажа, но основните теми. Изглежда тези майстори се занимават основно предаване на красотата и ужасната сила на явлението, по-скоро отколкото, както беше Леонардо, участвайки в систематично проучване на природата. Едно от най-известните японски произведения на изкуството и емблематично пример за този жанр е „Голямата вълна“ на Хокусай, щампа с дървен блок публикувана през 1831г.

"Голямата вълна" на Хокусай Hokusai’s “Great Wave.”

По една последна причина да се смята турбуленцията за нерешен проблем, турбулентните потоци проявяват широк спектър от интересно поведение в време и пространство. Повечето от тях са открити чрез измерване, не е предвидено и все още няма задоволително теоретично обяснение за тях.

Like this post? Please share to your friends:
Leave a Reply

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: