Ученые из ряда российских институтов, включая МФТИ, поняли, как волны на поверхности жидкости образуют вихревые течения, рассмотрев явления, которыми другие исследователи пренебрегали. Результаты теоретических расчетов полностью подтвердились экспериментами и были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Авторы статьи — сотрудники Института физики твердого тела, Института теоретической физики имени Ландау и МФТИ — разработали и проверили теорию для капиллярных (маленьких) размеров, однако, по их словам, эта теория может быть использована для анализа вихревых течений на поверхности океанов.

Как образуются вихри

Вихри в жидкости или вблизи ее поверхности играют важную роль в поведении самых разных объектов — от небольших емкостей до океанов. При этом исчерпывающего понимания того, как их корректно смоделировать, у специалистов по гидродинамике нет: физика процессов достаточно сложна даже при рассмотрении небольшого стакана воды.

Ранее было известно, что вихри в горизонтальной плоскости могут возникать за счет поверхностных волн и что ключевую роль в этом играет вязкость, одни участки жидкости получают импульс за счет трения с другими. Но в новой работе речь пошла о другом явлении, о появлении вертикальных завихрений при взаимодействии двух поверхностных волн, распространяющихся в разных направлениях. Физики показали, что даже в жидкости с малой вязкостью волны создают вихревое движение.

Ученые впервые разработали механизм генерации вертикального завихренного движения поверхности жидкости распространяющимися по ней волнами. Ключевую роль сыграл наклон поверхности проходящей волной, точнее наложением двух волн, движущихся в разных направлениях — и этот эффект удалось наблюдать экспериментально при возбуждении на поверхности волн Фарадея.

Волны Фарадея. Источник: dotwave.org Волны Фара...

Волны Фарадея. Источник: dotwave.org Волны Фарадея, или рябь Фарадея — это стоячие волны на поверхности жидкости, появляющиеся при вибрации сосуда на резонансной частоте. Такие волны могут создавать разнообразные узоры из полосок, квадратов и даже шестиугольников.

Эксперимент

Для проверки теории исследователи взяли почти квадратный (модель показала, что в строго квадратном эффект окажется слабым из-за синхронности колебаний, волны в обеих направлениях будут одинаковы) сосуд размером 4×5 см и глубиной 1 см, наполнили его водой и поставили на платформу. Платформа совершала вертикальные колебания на резонансной частоте.

Резонансная частота: частота, которая позволяет наиболее эффективно раскачать систему — будь то маятник, поверхность воды в сосуде или даже электромагнитное поле в цепи из катушки и конденсатора, колебательном контуре.

Через одну-две секунды после возбуждения волн появилась стоячая рябь. Одновременно с ней образовалась квадратная решетка из завихрений. Такая картина соответствовала теоретически полученному уравнению. Меняя условия эксперимента, ученые получали немного разные результаты, но все они совпали с теоретически предсказанными.

Сосуд с водой, вид сверху. Здесь красным п...

Сосуд с водой, вид сверху. Здесь красным показано вращение против часовой стрелки, синим — по часовой.

Что дальше?

Как недавно показала группа исследователей из Австралии и России, при частоте колебаний выше некоторого порога, поверхностные волны становятся настолько сильными, что взаимодействия между вихрями становятся существенными для корректного описания системы. Приведенные в статье результаты позволят изучить эти эффекты и разработать для них вычислительную модель.

«Взаимодействие между вихрями, — пояснил Владимир Лебедев, руководитель исследования, директор ИТФ и заведующий кафедрой физики и технологии наноструктур МФТИ, член корреспондент РАН, — приводит к генерации вихрей все большего масштаба, вызывая в конечном итоге формирование вихрей значительного размера и большой амплитуды. Такие вихри могут оказывать, например, существенное влияние на перенос планктона в океане. Дальнейшие исследования должны прояснить детали этого процесса».