Физики пересмотрели законы образования снежинок, дождевых капель и колец Сатурна
Исследователи из Сколтеха вывели новые математические уравнения, описывающие поведение агрегирующих частиц в газообразных средах. Полученные формулы помогут моделировать многие природные и технологические процессы: от формирования капель дождя и снежинок до движения гранул и порошков по трубам и даже образования колец вокруг планет-гигантов. Новые уравнения замещают два набора старых, которые приходилось «механически» сочетать, что приводило к недопустимо высокой для ряда приложений погрешности.
Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters. Процессы агрегации в газообразных средах исключительно многообразны: они наблюдаются в атмосферных явлениях, на промышленном производстве и даже в космосе. К ним, например, относятся образование дождя из капель тумана и снежинок — из микрокристалликов льда. Они же отвечают за образование колец Сатурна и других планет-гигантов из оказавшихся на орбите мелких частиц. Это явление также актуально для ряда технологий: аэрозольного окрашивания, транспортировки порошкообразных веществ, контролируемых взрывов и так далее. Чтобы понимать и прогнозировать эти процессы, а также управлять ими, ученым нужны адекватные математические модели агрегации в газообразных средах.
В начале XX века польский физик Мариан Смолуховский сформулировал уравнения, описывающие агрегационные процессы с точки зрения количества агрегатов разного размера и скорости агрегации — кинетических коэффициентов, отражающих то, как быстро агрегаты объединяются с образованием более крупных частиц. Однако классические уравнения Смолуховского справедливы для систем без каких бы то ни было пространственных неоднородностей и потоков. А реальные процессы, разумеется, происходят не в идеально однородных системах.
При описании поведения агрегирующих частиц в реальных условиях земной атмосферы, космоса или промышленных объектов приходится «механически» совмещать формулы Смолуховского с уравнениями Эйлера либо (в более общем случае) Навье — Стокса. Первые выведены в середине XVIII века, вторые — в середине XIX. И те и другие дают фундаментальное описание движения жидкостей и газов. Тем не менее, в виде «гибрида» с уравнениями Смолуховкого и те и другие приводят к нестыковкам, что в ряде приложений влечет за собой недопустимо высокую погрешность или вовсе качественные расхождения с реальностью.
Выход из ситуации предложили в своей недавней статье в Physical Review Letters старший научный сотрудник Александр Осинский и профессор Николай Бриллиантов из Центра искусственного интеллекта Сколтеха. Вместо того чтобы продолжать поиск путей примирить друг с другом два набора старых уравнений, исследователи из Сколтеха на основе математического подхода и базовых принципов выводят новые гидродинамические уравнения с новыми кинетическими коэффициентами.
«Удивительно, но полученные коэффициенты не являются ни коэффициентами скоростей реакции, как в уравнениях Смолуховского, ни транспортными коэффициентами, как в уравнениях Навье — Стокса. Эти кинетические коэффициенты новой природы сочетают в себе свойства транспортных и реакционных коэффициентов. Причем для агрегирующих флюидов они имеют такое же фундаментальное значение, как вязкость или теплопроводность для обычных жидкостей, — рассказал Бриллиантов. — Наша подробная компьютерная симуляция показала, что предложенные гидродинамические уравнения Смолуховского — Эйлера с новыми коэффициентами весьма точны и адекватны для моделирования технологически значимых агрегирующих флюидов».
Новые уравнения повысят точность моделей, используемых при анализе загрязнения воздуха частицами твердой фазы, в аэрозольных и порошковых технологиях, быстром транспорте мелкодисперсных сред и в некоторых задачах при проектировании самолетов и автомобилей.
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.
Telegram 
Дзен 
VK Одной из главных анатомических особенностей эволюции рода Homo считается резкое увеличение объема черепной коробки за последние примерно два миллиона лет. За это время она в среднем увеличилась в три раза. Однако авторы нового исследования поставили под сомнение традиционную гипотезу, согласно которой этот процесс был результатом естественного отбора. По их мнению, он мог оказаться случайностью.
Сканирующая туннельная микроскопия достигла квантово-механического предела пространства-времени. Физики провели эксперимент и смоделировали перемещение одиночного электрона с атомарной точностью и скоростью в доли фемтосекунды. Результат показал границы применимости квантовых законов и объяснил механику сверхбыстрых процессов.
Астробиологи с помощью сложных трехмерных климатических моделей доказали, что растительная жизнь на Земле способна просуществовать еще около 1,8 миллиарда лет. Это значительно дольше, чем предсказывали предыдущие расчеты.
Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Сканирующая туннельная микроскопия достигла квантово-механического предела пространства-времени. Физики провели эксперимент и смоделировали перемещение одиночного электрона с атомарной точностью и скоростью в доли фемтосекунды. Результат показал границы применимости квантовых законов и объяснил механику сверхбыстрых процессов.
В 2025 году детекторы гравитационных волн уловили потенциальное слияние черных дыр крайне малой массы. Ученые из Университета Майами считают, что участники того события могут открыть новое направление в исследовании темной материи.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно