Многие микроскопические физические процессы находят отражение в макромире. Например, с помощью моделирования движения частиц ученые исследуют динамику больших скоплений людей в ограниченном пространстве. Так, модулировать поведение толпы способна геометрия прохода: угол наклона стенок может снижать или повышать давление и, как следствие, риск травм. Наименее изученной остается состояние турбулентности, при котором в среде происходят хаотические колебания нескольких физических параметров. Из-за случайных изменений (плотности, давления, температуры) моделирование подобных явлений ограничено. Тем не менее, оно необходимо для теоретической физики и гидродинамики.
Авторы новой работы изучили турбулентное движение частиц в несжимаемой жидкости — такая модель предполагает сохранение плотности среды при изменении давления. Наблюдения показали, что в этом случае средний угол отклонения частиц зависит от временной задержки: на небольших отрезках их движение кажется линейным. Но в более крупных временных масштабах изменение направления носит хаотичный характер. В частности, при достаточной удаленности от границ средний угол отклонения частиц составил 90 градусов. Заключение частиц в прямоугольное пространство позволило увеличить показатель до 120 градусов. Связь эффекта с геометрией подтвердила симуляция методом Монте-Карло.
Для дополнительной проверки гипотезы исследователи провели эксперимент с футболистами. В рамках испытаний, которые проходили на стадионе (прямоугольном поле) в Нюрнберге, на ноги спортсменам надевали датчики слежения, которые передавали информацию специальной системе. Информация собиралась в ходе тренировочного матча между двумя командами, выборка составила 16 человек. Согласно анализу полученных данных, несмотря на осмысленность перемещений и наличие тактики, на большом временном отрезке футболисты повторяли динамику частиц: их средний угол отклонения также составил 120 градусов. В меньшем временном масштабе тенденция не проявлялась.
Как и в случае частиц, траектории спортсменов чаще включали в себя средний угол отклонения при движении вдоль более длинной границы пространства. По словам соавтора работы Воутера Боса (Wouter Bos), соответствие оказалось неожиданным. «Мы рассчитывали на некоторое сходство, но результаты превзошли ожидания», — отметил ученый. Он также добавил, что исследование дополняет имеющиеся данные о динамике частиц в турбулентности. «Турбулентность представляет собой важную проблему для многих промышленных приложений. Практически в любых условиях, предполагающих движение в воздухе или воде, встречается потеря энергии из-за турбулентности», — сообщил Бос.
Подробности работы представлены в журнале Physical Review Fluids.
Ранее схожим моделированием воспользовались биофизики: таким образом, они изучили тактики совместной охоты в двух- и трехмерном пространстве.
