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 Ученые давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
Долгое время считалось, что гигантские стрекозообразные, жившие 300 миллионов лет назад, стали такими из‑за высокого содержания кислорода. Тогда в атмосфере его было около 30% вместо сегодняшних 21%. Учёные полагали, что крупные насекомые задохнулись бы в нашей атмосфере. Но оказалось, что это не так.
Нуклеосомы — основные «катушки» упаковки ДНК — почти всегда находятся в искаженном состоянии, а не в аккуратной и стабильной форме, как считалось десятилетиями. Именно через такие микроскопические изменения, как выяснили ученые, клетка регулирует работу генов — а значит, управляет развитием, реакцией на внешние раздражители и даже возникновением болезней.
Шведские биологи отследили миграцию обыкновенного соловья с помощью миниатюрных датчиков-рюкзаков. Как оказалось, при пересечении Сахары и Аравийской пустыни птицы летят только по ночам и не ищут пищу. Соловьи преодолевают пустыню без дозаправки, полагаясь лишь на накопленный заранее жир.
На границе возможностей оптоволокна лазерный пучок самоорганизовывается в мощный, сфокусированный луч-иглу. Параметры этого излучения таковы, что позволяют в реальном времени без дополнительных ухищрений рассматривать клеточные процессы.
Ученые давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Четыре человека, летящие к Луне, столкнулись с целым рядом мелких неприятностей — от низкой температуры в начале работы до поломки мочевыводящей системы туалета на вторые сутки и необходимости взамен пользоваться пакетами. К счастью, пока самые крупные сложности удалось компенсировать. Но все они вместе могут сдвинуть ситуацию к решению, о котором Naked Science уже говорил в нашем видеоподкасте о миссии: не исключено, что при высадке астронавтов на Луне их корабль состыкуют со Starship не на окололунной, а уже на околоземной орбите.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
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