Что такое жидкость и почему вращение в ней является одним из двух основных типов движения?
Вот ещё один интересный вопрос, достойный отдельного поста и заданный моим другом в ЖЖ smertnyy на тему: "К каким интересным явлениям может привести в космосе такое фундаментальное движение как вращение?"
Вращение пространства в космосе нам необходимо будет рассматривать, если мы хотим объяснить там такие вещи, как "тёмную материю" и "черные дыры".
Космос далеко, и он трудно изучаем в экспериментальном плане. Но и без него мы наблюдаем рядом с собой много уже привычных нам явлений, которые на самом деле плохо изучены. Возьмём жидкое состояние, в частности, воду. Вы не поверите, но мы до сих пор не знаем, что это такое. Многие считают, что это просто случайное, тепловое блуждание молекул среды, но не как в газе, а в условиях, когда они не способны оторваться друг от друга в силу взаимного притяжения. Наиболее близко к ответу на этот вопрос подошёл Яков Френкель в книге "Кинетическая теория жидкостей", 1975. Он считал, что молекулы в жидкости образуют своего рода малые компактные области или кластеры, в которых молекулы ведут себя как в твёрдом теле, но иногда перепрыгивают в соседние области. Из-за чего связь между соседними областями оказывается слабой, и жидкость может течь.
Я же после исследования теплового расширения твёрдых тел и жидкостей в своём Институте сумел продвинуться дальше. Теперь я считаю, что жидкое состояние - это продолжение твёрдого, в котором к поступательному движению атомов и молекул добавляется ещё и вращательное. То есть, в твёрдом теле атомы вращаться не могут из-за того, что их внешние электроны жестко связаны друг с другом. Но по мере нагревания внешние электроны соседних атомов становятся всё менее связанными, но вращения атомов ещё не происходит. Их вращение может наступить тогда, когда они сумеют получить достаточный момент импульса, благодаря переданным в процессе нагрева квантам действия внутрь электронных оболочек.
Но и этого будет недостаточно, пока мы не передадим атомам дополнительных квантов действия, необходимых для того, чтобы само пространство внутри кристалла могло вращаться. Именно в этом заключается суть дополнительной теплоты плавления для осуществления фазового перехода. Этот результат по поводу необходимости порождения дополнительного пространства показался мне очень важным. И это пространство вращений, похоже, является единственным, которое появляется на наших глазах, а не уже существует в природе.
Теперь, после плавления каждая молекула участвует одновременно в двух движениях - поступательном и вращательном. Жидкость наследует колебательные движения - фононы от твёрдого тела и приобретает дополнительные вращательные движения групп молекул в новом состоянии. Это только кажется, что эти движения случайны. На самом деле они имеют вполне определённое распределение по энергии и следуют жесткому закону максимума энтропии, когда жидкость спокойна.
Но когда мы заставляем жидкость течь, например, в трубе, в ней возникают дополнительные вынужденные вращения её элементов, не связанные с тепловым состоянием, а вызванные исключительно вязкостью жидкости. Эти новые вращения настолько упорядочены (как это происходит с системой вырожденных фермионов в квантовой физике), что при малых скоростях течения нам кажется, будто элементы жидкости совсем не вращаются, никаких вихрей нет, а слои жидкости движутся поступательно и примерно параллельно друг другу. В этом случае мы наблюдаем так называемое ламинарное течение жидкости. И такое понимание ламинарного течения как упорядоченного состояния вихрей даёт нам совершенно новый результат, который может привести нас в дальнейшем к пониманию турбулентности. О переходе к которой по достижению некоторого предела, связанного с квантом действия, для вращающихся элементов жидкости мы рассказывали в предыдущем посте этого блога.
С указанном пределом во вращательном движении жидкости тесно связаны эффекты отрыва течения за уступом и кавитации (образования и схлопывания) пузырьков газа за кромкой крыла или винта. Объяснение здесь простое - очень большая локальная кривизна на кромке крыла или уступа значительно понижает предел, когда элементы жидкости могут продолжать вращаться вблизи твёрдой поверхности. Вращательное движение физически не может превысить этот предел и поэтому отрывается от поверхности. Пустота над поверхностью не может сохраняться долго, жидкость схлопывается, возникает удар и возникают "неприятные" последствия для поверхности.
Ещё одним интересным и плохо понимаемым явлением оказывается образование торнадо - узкого вихревого шнура хоть в атмосфере, хоть в ванне с водой после того как в ней была вынута сливная пробка. Здесь упорядочение вращательного движения происходит не вдоль (двумерной) поверхности канала или трубы, а вокруг одномерной воображаемой нити, проходящей через центры максимальной завихрённости, образовавшейся в жидкости. Здесь разница с течением в канале состоит не только в размерности образующей поверхности, но и в том, что является источником вращательного движения (вихрей). В канале источником является твёрдая поверхность, для возникновения торнадо необходимо криволинейное течение самой жидкости.
Как было написано выше, в спокойной жидкости уже существуют "тепловые" вихри, которые вместе с "тепловыми" фононами составляют максимум энтропии. Возбуждение вихрей в движущейся жидкости сразу приводит её в неравновесное состояние, от которого ей надо избавляться. Но как? - Для этого существует принцип максимального переноса (квантов) действия, о котором я уже писал раньше и который означает, что система должна стремиться к равновесному состоянию максимально быстро. Что это значит для жидкости? - Это значит, что возбуждённые в движущейся жидкости вихри должны превратиться в тепловые, выбрав наиболее быстрый путь.
Но вот беда - "выбор" пути тоже во многом зависит от внешних условий. Если скорость образования новых вихрей небольшая, то для их релаксации хватает скорости обычной диффузии - когда молекулы от одних вихрей передаются своим соседям, а те - дальше. Если этого не хватает, вихрям нужно искать более быстрый путь. И они его находят! Находят в том, что вихри собираются в группы, чтобы потом уже сама группа релаксировала настолько быстро, насколько она сможет. Почему именно группы? - Потому, что этому способствует ещё один принцип, связанный с действием - принцип наименьшего действия, когда вихри в группе оказывают меньшее возмущение окружающего пространства, чем они это делают по отдельности.
И вот ситуация может привести к тому, что большинство возбуждённых вихрей соберутся в один гигантский вихрь или в зависимости от геометрических условий - в гигантскую вихревую нить, которую и называют разрушительным торнадо. Почему же моделирование торнадо сейчас вызывает математические трудности? - А потому, что вдоль вихревой нити в решениях соответствующих уравнений возникает особенность в виде бесконечности. А математики с физиками этого очень не любят и всячески пытаются понять, как от неё избавиться. Иногда это помогает после некоторых упрощений, но к пониманию, откуда берётся торнадо и что с можно ним сделать, всё-таки не приводит.
Вращение пространства в космосе нам необходимо будет рассматривать, если мы хотим объяснить там такие вещи, как "тёмную материю" и "черные дыры".
Космос далеко, и он трудно изучаем в экспериментальном плане. Но и без него мы наблюдаем рядом с собой много уже привычных нам явлений, которые на самом деле плохо изучены. Возьмём жидкое состояние, в частности, воду. Вы не поверите, но мы до сих пор не знаем, что это такое. Многие считают, что это просто случайное, тепловое блуждание молекул среды, но не как в газе, а в условиях, когда они не способны оторваться друг от друга в силу взаимного притяжения. Наиболее близко к ответу на этот вопрос подошёл Яков Френкель в книге "Кинетическая теория жидкостей", 1975. Он считал, что молекулы в жидкости образуют своего рода малые компактные области или кластеры, в которых молекулы ведут себя как в твёрдом теле, но иногда перепрыгивают в соседние области. Из-за чего связь между соседними областями оказывается слабой, и жидкость может течь.
Я же после исследования теплового расширения твёрдых тел и жидкостей в своём Институте сумел продвинуться дальше. Теперь я считаю, что жидкое состояние - это продолжение твёрдого, в котором к поступательному движению атомов и молекул добавляется ещё и вращательное. То есть, в твёрдом теле атомы вращаться не могут из-за того, что их внешние электроны жестко связаны друг с другом. Но по мере нагревания внешние электроны соседних атомов становятся всё менее связанными, но вращения атомов ещё не происходит. Их вращение может наступить тогда, когда они сумеют получить достаточный момент импульса, благодаря переданным в процессе нагрева квантам действия внутрь электронных оболочек.
Но и этого будет недостаточно, пока мы не передадим атомам дополнительных квантов действия, необходимых для того, чтобы само пространство внутри кристалла могло вращаться. Именно в этом заключается суть дополнительной теплоты плавления для осуществления фазового перехода. Этот результат по поводу необходимости порождения дополнительного пространства показался мне очень важным. И это пространство вращений, похоже, является единственным, которое появляется на наших глазах, а не уже существует в природе.
Теперь, после плавления каждая молекула участвует одновременно в двух движениях - поступательном и вращательном. Жидкость наследует колебательные движения - фононы от твёрдого тела и приобретает дополнительные вращательные движения групп молекул в новом состоянии. Это только кажется, что эти движения случайны. На самом деле они имеют вполне определённое распределение по энергии и следуют жесткому закону максимума энтропии, когда жидкость спокойна.
Но когда мы заставляем жидкость течь, например, в трубе, в ней возникают дополнительные вынужденные вращения её элементов, не связанные с тепловым состоянием, а вызванные исключительно вязкостью жидкости. Эти новые вращения настолько упорядочены (как это происходит с системой вырожденных фермионов в квантовой физике), что при малых скоростях течения нам кажется, будто элементы жидкости совсем не вращаются, никаких вихрей нет, а слои жидкости движутся поступательно и примерно параллельно друг другу. В этом случае мы наблюдаем так называемое ламинарное течение жидкости. И такое понимание ламинарного течения как упорядоченного состояния вихрей даёт нам совершенно новый результат, который может привести нас в дальнейшем к пониманию турбулентности. О переходе к которой по достижению некоторого предела, связанного с квантом действия, для вращающихся элементов жидкости мы рассказывали в предыдущем посте этого блога.
С указанном пределом во вращательном движении жидкости тесно связаны эффекты отрыва течения за уступом и кавитации (образования и схлопывания) пузырьков газа за кромкой крыла или винта. Объяснение здесь простое - очень большая локальная кривизна на кромке крыла или уступа значительно понижает предел, когда элементы жидкости могут продолжать вращаться вблизи твёрдой поверхности. Вращательное движение физически не может превысить этот предел и поэтому отрывается от поверхности. Пустота над поверхностью не может сохраняться долго, жидкость схлопывается, возникает удар и возникают "неприятные" последствия для поверхности.
Ещё одним интересным и плохо понимаемым явлением оказывается образование торнадо - узкого вихревого шнура хоть в атмосфере, хоть в ванне с водой после того как в ней была вынута сливная пробка. Здесь упорядочение вращательного движения происходит не вдоль (двумерной) поверхности канала или трубы, а вокруг одномерной воображаемой нити, проходящей через центры максимальной завихрённости, образовавшейся в жидкости. Здесь разница с течением в канале состоит не только в размерности образующей поверхности, но и в том, что является источником вращательного движения (вихрей). В канале источником является твёрдая поверхность, для возникновения торнадо необходимо криволинейное течение самой жидкости.
Как было написано выше, в спокойной жидкости уже существуют "тепловые" вихри, которые вместе с "тепловыми" фононами составляют максимум энтропии. Возбуждение вихрей в движущейся жидкости сразу приводит её в неравновесное состояние, от которого ей надо избавляться. Но как? - Для этого существует принцип максимального переноса (квантов) действия, о котором я уже писал раньше и который означает, что система должна стремиться к равновесному состоянию максимально быстро. Что это значит для жидкости? - Это значит, что возбуждённые в движущейся жидкости вихри должны превратиться в тепловые, выбрав наиболее быстрый путь.
Но вот беда - "выбор" пути тоже во многом зависит от внешних условий. Если скорость образования новых вихрей небольшая, то для их релаксации хватает скорости обычной диффузии - когда молекулы от одних вихрей передаются своим соседям, а те - дальше. Если этого не хватает, вихрям нужно искать более быстрый путь. И они его находят! Находят в том, что вихри собираются в группы, чтобы потом уже сама группа релаксировала настолько быстро, насколько она сможет. Почему именно группы? - Потому, что этому способствует ещё один принцип, связанный с действием - принцип наименьшего действия, когда вихри в группе оказывают меньшее возмущение окружающего пространства, чем они это делают по отдельности.
И вот ситуация может привести к тому, что большинство возбуждённых вихрей соберутся в один гигантский вихрь или в зависимости от геометрических условий - в гигантскую вихревую нить, которую и называют разрушительным торнадо. Почему же моделирование торнадо сейчас вызывает математические трудности? - А потому, что вдоль вихревой нити в решениях соответствующих уравнений возникает особенность в виде бесконечности. А математики с физиками этого очень не любят и всячески пытаются понять, как от неё избавиться. Иногда это помогает после некоторых упрощений, но к пониманию, откуда берётся торнадо и что с можно ним сделать, всё-таки не приводит.