اكتشف الفيزيائيون ما يحدث داخل الدوامة المستقرة

التدفق المضطرب هو حركة سائل أو غاز تتميز بالاضطراب والاختلاط الشديد والتغيرات المفاجئة في السرعة. ومن المستحيل تتبع حركة كل جسيم في مثل هذا التدفق، لذلك يصفه الباحثون من خلال الخصائص المتوسطة. على سبيل المثال، باستخدام دالة الارتباط الزوجي، يمكنك فهم كيفية ارتباط سرعات الموائع عند نقطتين في التدفق. بالنسبة للاضطراب المتطور، عندما تكون جميع الاتجاهات متكافئة ولا يوجد دوران، فقد تمت دراسة هذه الارتباطات جيدًا بالفعل. في التدفق ثلاثي الأبعاد، تنقسم الدوامات التي تنشأ إلى دوامات أصغر، وعلى مسافات طويلة، فإن السرعات “لا تعرف” عمليًا بعضها البعض. في التدفق ثنائي الأبعاد، تميل الدوامات إلى التجمع في دوامات أكبر، وتتناقص الروابط بين السرعات مع المسافة بشكل أبطأ بكثير. في السائل ثلاثي الأبعاد الذي يدور بسرعة، يتغير هيكل هذا التدفق: يصبح التدفق الأوسط – دوامة كبيرة – أكثر تملقًا، وتحتفظ النبضات الصغيرة بداخله بطابع ثلاثي الأبعاد معقد. إن تفاعلهم هو الذي يحدد الخصائص الإحصائية للتدفق داخل الدوامة. في العمل الجديد، البروفيسور سيرجي فيرجيليس والأستاذ المشارك ليون أوجورودنيكوف، موظفان في الـITF. إل دي. قام لانداو والمختبر الدولي لفيزياء المواد المكثفة التابع للمدرسة العليا للاقتصاد بجامعة الأبحاث الوطنية، بفحص سائل ثلاثي الأبعاد سريع الدوران تتشكل فيه دوامة متماسكة مستقرة – تدفق دوامي ضخم يمكن أن ينشأ في المحيط والغلاف الجوي. في الغلاف الجوي، تكون مثل هذه الهياكل الدوامية مرئية بوضوح في الأعاصير والأعاصير المضادة: تتجمع السحب الموجودة فيها في أذرع حلزونية، وتشكل مناطق ممتدة كثيفة. قام الباحثون بالتحقيق في كيفية تصرف الارتباطات (الارتباطات) بين السرعات داخل مثل هذه الدوامة، عند نقطة واحدة وعلى مسافة من بعضها البعض. لقد أخذوا في الاعتبار ثلاثة مكونات للسرعة: الشعاعي (الحركة من أو نحو محور الدوامة)، والسمت (الحركة الدائرية حول محور الدوامة)، والعمودي (الحركة على طول محور الدوامة). تم نشر النتائج في مجلة Physical Review Fluids. اتضح أن العلاقة بين السرعات تستمر على مسافات طويلة وتضعف ببطء مع زيادة المسافة، ولكن بشكل مختلف في اتجاهات مختلفة: أبطأ (لوغاريتميًا) على طول محيط الدوامة، وأسرع قليلاً على طول محورها، وحتى أسرع (بطريقة قانون القوة) على طول نصف القطر. ويرجع هذا التأثير إلى عدم التجانس المكاني لدوران الوسط، حيث تتحرك عناصر الموائع الموجودة على مسافات مختلفة من محور الدوران بسرعات زاوية مختلفة، أي أنها تكمل دورة كاملة في أزمنة مختلفة. يتجلى هذا الضعف البطيء لوصلات مجال السرعة في الاتجاه السمتي مقارنة بالاتجاه الشعاعي بوضوح في شكل أذرع حلزونية، ممدودة في اتجاه دوران السائل ومضغوطة في الاتجاه العرضي. تظهر أيضًا أذرع حلزونية مماثلة في المجرات. وعلى الرغم من أن هذه الأنظمة لها فيزياء مختلفة، إلا أن الدوران غير المتجانس (التفاضلي) هو الذي يؤدي إلى تكوين أذرع لها نفس الشكل. ووجد الباحثون أيضًا أن الروابط بين مكونات السرعة المتطابقة تكاد تكون مستقلة عن كيفية توفير الطاقة للنظام، في حين أن الروابط بين المكونات المختلفة حساسة لذلك. يعلق أحد مؤلفي الدراسة، وهو باحث مبتدئ في المختبر الدولي لفيزياء المواد المكثفة في المدرسة العليا للاقتصاد ومعهد ITP: “الارتباطات طويلة المدى بين مكونات السرعة المتطابقة تكاد تكون مستقلة عن الخصائص الإحصائية للقوة التي تزود النظام بالطاقة، لكن الارتباطات بين مكونات السرعة السمتية والسرعة الشعاعية منظمة بشكل مختلف: فهي أضعف، وتتناقص بشكل أسرع مع المسافة، وتعتمد أيضًا على إحصاءات الضخ”. إل دي. لانداو ليون أوجورودنيكوف. تساعد النتائج التي تم الحصول عليها على فهم أفضل للبنية الداخلية للدوامات الكبيرة المتماسكة التي تنشأ في التيارات المحيطية والجوية على الأرض وعلى الكواكب الأخرى.