질서는 종종 혼란에 빠지지만 때로는 그 반대가 사실입니다. 예를 들어 난류는 자발적으로 깔끔한 패턴을 형성하는 경향이 있습니다 : 평행 줄무늬.
물리학 자들은이 현상을 실험적으로 관찰했지만, 왜 이것이 기본 유체 역학 방정식을 사용하여 이런 일이 발생하는지 설명 할 수있어 입자가 왜 이런 식으로 행동하는지 이해하는 데 한 걸음 더 다가 갈 수 있습니다.
실험실에서 유체가 서로 반대 방향으로 움직이는 두 평행 판 사이에 배치되면 흐름이 난류가됩니다. 그러나 잠시 후 난기류는 줄무늬 패턴으로 부드럽게 시작됩니다. 그 결과 흐름에 대해 비스듬히 흐르는 부드럽고 난류 선의 캔버스가 만들어집니다 (강에 약간의 바람이 생성 된 파도를 상상해보십시오).
스위스 연방 공과 대학 로잔 (Losanne) 공과 대학 조교수 토비아스 슈나이더 (Tobias Schneider)는“난류의 혼란스러운 움직임에서 구조와 명확한 질서를 얻는다”고 말했다. 이 "이상하고 매우 모호한"행동은 "오래 오랫동안 과학자들을 매료시켰다."
물리학 자 Richard Feynman은 설명이 Navier-Stokes 방정식이라고하는 유체 역학의 기본 방정식에 숨겨져 야한다고 예측했습니다.
그러나 슈나이더는이 방정식을 풀고 분석하기가 매우 어렵다고 말했다. (Navier-Stokes 방정식이 3D 유체에 대한 모든 지점에서 부드러운 솔루션을 가지고 있음을 보여주는 것은 백만 달러의 상금 문제 중 하나입니다.) 따라서이 시점까지 아무도 방정식이 이러한 패턴 형성 행동을 어떻게 예측했는지 알 수 없었습니다. 슈나이더와 그의 팀은 컴퓨터 시뮬레이션과 이론적 계산을 포함한 방법의 조합을 사용하여 혼돈에서 질서로의 전환의 각 단계를 수학적으로 설명하는 일련의 "매우 특별한 솔루션"을 찾았습니다.
다시 말해, 그들은 혼란스러운 행동을 혼란스럽지 않은 빌딩 블록으로 나누고 작은 덩어리에 대한 해결책을 찾았습니다. 슈나이더는“우리가 관찰하는 행동은 신비적인 물리학이 아니다. "유체 흐름을 설명하는 표준 방정식에 숨겨져 있습니다."
성명서에 따르면이 패턴은 난류와 평온 (또는 "층류"라고도 함)이 서로 경쟁하여 최종 상태를 결정하는 방법을 보여주기 때문에 이해하는 것이 중요합니다. 이 패턴이 발생하면 난류와 층류 흐름의 강도가 동일합니다.
그러나이 패턴은 공중의 난기류와 같은 자연계에서는 실제로 보이지 않습니다. 슈나이더는 이와 같은 패턴이 실제로 비행기에 대해 "나쁘다"고 설명했다. 왜냐하면 비행기는 난기류가 아닌 울퉁불퉁 한 난류의 비계를 통과해야하기 때문이다.
오히려이 실험의 주요 목표는 통제 된 환경에서 유체의 기본 물리학을 이해하는 것이 었습니다. 그는 유체의 매우 간단한 움직임을 이해해야 만 비행기 주변의 공기 흐름에서 파이프 라인 내부까지 모든 곳에서 존재하는 더 복잡한 난류 시스템을 이해할 수 있다고 덧붙였다.
이 연구 결과는 5 월 23 일 Nature Communications 저널에 발표했다.
