Новая модель наконец-то может предсказать, как течет кровь и другие странные жидкости
Физики стали на шаг ближе к созданию полноценной математической теории, позволяющей предсказать, как течет кровь и другие необычные жидкости. Такое странное поведение озадачивало исследователей на протяжении десятилетий.
Не то, чтобы мы пытались, но кровь на самом деле немного деформируется, когда ее подталкивают, и, как ни странно, она сгущается, когда применяется сильная, внезапная сила – смещаясь от тонкой из водянистого вещества в более вязкое, почти твердое.
Другим (более гигиеничным) примером этого является классический трюк, который вы, возможно, помните из школьных научных демонстраций: кукурузный крахмал, смешанный с водой. Если вы будете перемешивать ее медленно, ничего страшного не возникнет, но сожмите смесь пригоршней, и она затвердеет в эластичный шарик. Откройте руку, и она снова потечет, как жидкость.
То, что на самом деле происходит, является примером неньютоновской жидкости, типа жидкости, которая не подчиняется закону вязкости Ньютона и вместо этого характеризуется своей странной взаимосвязь между напряжением (силами, приложенными к жидкости) и деформацией (как она деформируется в ответ).
Но это не единственная странность в неньютоновских жидкостях. Они также демонстрируют особенно хаотичное движение жидкости, называемое упругой турбулентностью, которое существует только в этих жидкостях, а не в послушных ньютоновских жидкостях.
Турбулентность любого вида превращает упорядоченный ламинарный поток в хаотичный, бурлящий беспорядок, который в в промышленных условиях затрудняет смешивание или перекачивание жидкостей, а поездка на лодке по быстрой реке становится ухабистой.
Обычно это происходит при высоких скоростях потока, и хотя это может быть знакомое явление, описывающее турбулентность в Различные формы «остаются одной из последних нерешенных проблем классической физики», заявляют исследователи, стоящие за этим новым исследованием упругой турбулентности.
В 1990-х годах исследователи поняли, что в водных растворах, содержащих полимеры, которые являются длинными, повторяющимися цепочки молекул – эластичность полимеров, растягиваясь и сжимаясь, приводила к нестабильности ламинарных потоков.
В начале XXI века они обнаружили упругую турбулентность, которая еще более драматична, возникая в медленных ламинарных потоках. обычно гладкие.
Считается, что упругая турбулентность возникает в неньютоновских жидкостях, которые состоят из сверхмелких частиц, полимеров или микроскопических клеток, взвешенных в водянистых жидкостях, из-за того, как эти частицы взаимодействуют и движутся. . Без частиц в растворе это явление исчезает.
Ученые думали, что упругая турбулентность совершенно отличается от классической турбулентности ньютоновских жидкостей, которые ведут себя гораздо более предсказуемым образом. . Но согласно новому моделированию команды, эти два явления могут иметь больше общего, чем считалось ранее.
Под руководством Марко Рости, авиационного инженера, изучающего гидродинамику в Окинавском институте науки и технологий в Японии, исследование Команда измерила скорость потоков неньютоновской жидкости и рассчитала разницу в трех точках, а не в двух, обычно используемых для измерения и изучения классической турбулентности.
Они обнаружили, что неньютоновские жидкости с упругой турбулентностью демонстрируют прерывистые колебания. Это открытие помогло им сделать статистические прогнозы о том, как ведет себя неньютоновская жидкость.
«Наши результаты показывают, что упругая турбулентность обладает универсальной силой -закон распада энергии и пока неизвестное прерывистое поведение», — объясняет Рости. «Эти результаты позволяют нам взглянуть на проблему упругой турбулентности под новым углом».
Это исследование дополняет другие исследовательские усилия, в которых физики добились успехов в описании неньютоновских жидкостей, которые озадачили исследователей своими странными свойствами. с 1930-х годов – когда у них не было инструментов или компьютеров для измерения и моделирования потоков жидкости, как у нас сегодня.
В 2019 году исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали 3D-модель, которая могла бы описывают, как суспензии ультрамелких частиц, такие как смесь кукурузного крахмала, превращаются из жидкости в твердое состояние и обратно в различных условиях.
Промышленное применение такой модели весьма полезно, позволяя исследователям прогнозировать и например, оптимизировать поведение суспензий при их перемещении между чанами на промышленных предприятиях.
Новая модель, разработанная командой Рости, может иметь такое же практическое применение.
«С идеальной теорией» – если такое существует – «мы могли бы делать прогнозы о потоке и разрабатывать устройства, которые могут изменять смешивание жидкостей», – говорит Рости. «Это может быть полезно при работе с биологическими растворами», такими как донорская кровь и лимфатическая жидкость.
Или, когда остальные из нас возятся с кетчупом, заварным кремом и зубной пастой – еще три забавных примера неньютоновские жидкости.
Результат исследования опубликован в журнале Nature Communications.
