Российские ученые доказали теорию акустической турбулентности

Исследователи нашли новый способ моделирования звуковой турбулентности. Раньше для этого требовался суперкомпьютер, но теперь ученые использовали метод параллельных вычислений на видеокартах. Это позволило проводить моделирование на обычном персональном компьютере.

Открытие поможет сделать более точные прогнозы погоды и использовать теорию турбулентности в разных областях физики, например, в астрофизике для расчета траекторий и скорости распространения звуковых волн во Вселенной.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Турбулентность — это сложное и беспорядочное движение жидкостей, газов или волн в различных физических системах. Например, турбулентность может возникнуть на поверхности океана из-за ветра и течений. Также она может произойти при рассеивании света через линзы в оптике или при распространении звуковых волн в определенных средах, например, в жидком гелии.

В 1970-х годах советские ученые предположили, что при сильных колебаниях звуковых волн возникает звуковая турбулентность. Эта теория применима и к другим волновым системам, таким как волны в ионосферах звезд и планет-гигантов или гравитационные волны в ранней Вселенной. Раньше было сложно предсказать, как распространяются нелинейные звуковые и другие волны из-за большой вычислительной сложности.

Ученые из Сколковского института науки и технологий, Института электрофизики Уральского отделения РАН и Физического института имени П. Н. Лебедева РАН впервые решили уравнение, которое описывает распространение звуковых волн в турбулентности. Они доказали теорию советских ученых.

Для расчетов ученые использовали видеокарты. Решения для частей уравнения, описывающего распространение звуковых волн, они нашли параллельно на четырех разных видеокартах, установленных на одном компьютере. Вместо огромного и дорогого суперкомпьютера ученые использовали небольшой персональный компьютер и пришли к точному численному решению.

Ученые проверили правильность своего решения, используя компьютер для моделирования распространения звуковых волн в особой среде, которая похожа на жидкий гелий при температуре около -270 °C.

В таких условиях гелий становится квантовой жидкостью, которая обладает особыми свойствами — сверхтекучестью и сверхпроводимостью. Это значит, что она может проводить электричество без сопротивления и течь без трения.

Такие жидкости используются в квантовых компьютерах, поездах на магнитной подушке и других высокотехнологичных устройствах. Сверхтекучий гелий также применяется в ядерной энергетике.

Теория турбулентности — важное открытие, которое можно сравнить с таблицей Менделеева. Она позволяет точно предсказывать свойства разных типов турбулентности: звуковой, гравитационной, магнитногидродинамической.

Теория применима к любой волновой системе. Например, она уже используется для прогнозирования погоды и изменений климата. Это помогает делать более точные прогнозы.

Одна из главных нерешенных задач современной физики — разгадка природы турбулентности. Например, только с развитием теории турбулентности стало возможным точно предсказывать погоду.

Мы планируем исследовать другие волновые системы, например, океанические волны большой амплитуды. Удивительно, но у звуковых волн и волн на поверхности океана много общего.

При больших амплитудах морские волны могут опрокидываться. Этот процесс напоминает формирование акустической ударной волны. При опрокидывании волн возникают области с очень высоким давлением или плотностью энергии. Сейчас есть гипотеза, что подобные коллапсы разной природы приводят к появлению турбулентности, — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Евгений Кочурин, кандидат физических наук, старший научный сотрудник лаборатории нелинейной динамики Института электрофизики Уральского отделения РАН и научный сотрудник Лаборатории интегрируемых систем и турбулентности Центра перспективных исследований имени И. М. Кричевера Сколтеха.

Ранее ученые заявили, что понимание динамики потоков поможет снизить энергозатраты буквально во всем.

На иллюстрации: Плотность газа в режиме слабой турбулентности, когда амплитуды звуковых волн малы (слева), и в состоянии сильной турбулентности, при которой акустическая турбулентность представляет собой набор случайных ударных волн (справа). Источник: Евгений Кочурин.

14.01.2025


Подписаться в Telegram



Хайтек

Легкие и прочные: как Al-Sc сплавы покоряют промышленность
Легкие и прочные: как Al-Sc сплавы покоряют промышленность

3D-печать меняет правила игры: она дает б...

Световые качели: физики открыли новый способ управлять светом
Световые качели: физики открыли новый способ управлять светом

Физики научились управлять светом в кроше...

Тараканы-киборги — спасатели ближайшего будущего
Тараканы-киборги — спасатели ближайшего будущего

От зон стихийных бедствий до экстрем...

Томские ученые раскрыли секреты молекулярных взаимодействий
Томские ученые раскрыли секреты молекулярных взаимодействий

Ученые из Томского политехнического униве...

100 миллионов за молекулярный прорыв: в Уфе запустили супер-спектрометр
100 миллионов за молекулярный прорыв: в Уфе запустили супер-спектрометр

В Уфимском федеральном исследовательском центр...

От идеи до Росатома: история успеха проекта RSP
От идеи до Росатома: история успеха проекта RSP

В НИЯУ МИФИ создали онлайн-сервис —...

CARMA II — автономный робот, который делает ядерные объекты безопаснее
CARMA II — автономный робот, который делает ядерные объекты безопаснее

Передовая роботизированная система CARMA II ус...

Нейросети будущего: поляритоны в СПбГУ бьют рекорды точности
Нейросети будущего: поляритоны в СПбГУ бьют рекорды точности

Ученые из Санкт-Петербургского государств...

MIT учит дронов избегать столкновений: новый метод GCBF+
MIT учит дронов избегать столкновений: новый метод GCBF+

Инженеры из MIT придумали, как сдела...

Фокус на будущее: киноформные линзы меняют правила игры
Фокус на будущее: киноформные линзы меняют правила игры

Сотрудники лаборатории 3D-печати функциональны...

Российский минерал совершил революцию в мире двумерных материалов
Российский минерал совершил революцию в мире двумерных материалов

Ученые Томского политехнического университета ...

Свет из земли: как глина превратилась в дисплей
Свет из земли: как глина превратилась в дисплей

Мир дисплеев скоро изменится благодаря новым м...

В МИФИ создан радиоизотопный прибор для отечественной металлургии
В МИФИ создан радиоизотопный прибор для отечественной металлургии

В Национальном исследовательском ядерном униве...

Преодоление физических барьеров: на пути к новым квантовым технологиям
Преодоление физических барьеров: на пути к новым квантовым технологиям

Комментирует профессор Майя Вергниори, которая...

Впервые в России: в Катайске начали выпуск уникальных насосов
Впервые в России: в Катайске начали выпуск уникальных насосов

Катайский насосный завод, который находится в&...

Ученые ТПУ продемонстрировали, как у капель появляются «пальцы»
Ученые ТПУ продемонстрировали, как у капель появляются «пальцы»

Исследователи из Томского политехническог...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Невидимые враги: как ароматизаторы превращают ваш дом в угрозу для здоровья
Невидимые враги: как ароматизаторы превращают ваш дом в угрозу для здоровья
Спасти жизнь за минуты сможет кетамин в борьбе с эпилептическим статусом
Спасти жизнь за минуты сможет кетамин в борьбе с эпилептическим статусом
Cell Reports: Голодание приносит пользу взрослым, но создает риск для подростков
Cell Reports: Голодание приносит пользу взрослым, но создает риск для подростков
69 ученых, которые меняют мир: история успеха из Нижнего Новгорода
69 ученых, которые меняют мир: история успеха из Нижнего Новгорода
Легкие и прочные: как Al-Sc сплавы покоряют промышленность
Легкие и прочные: как Al-Sc сплавы покоряют промышленность
Как взрываются звезды: открытия, которые меняют наше представление о Вселенной
Как взрываются звезды: открытия, которые меняют наше представление о Вселенной
Как получить инструмент будущих инженеров бесплатно, если ты студент
Как получить инструмент будущих инженеров бесплатно, если ты студент
От шахт до чистой энергии: путь австралийской горнодобывающей промышленности
От шахт до чистой энергии: путь австралийской горнодобывающей промышленности
Больничные раковины и невидимый враг, который в них живет
Больничные раковины и невидимый враг, который в них живет
Цикорий и кобальт: дуэт против рака, бьющий точно в цель
Цикорий и кобальт: дуэт против рака, бьющий точно в цель
Без капитана, но с комфортом: в Нижнем Новгороде строят судно без экипажа
Без капитана, но с комфортом: в Нижнем Новгороде строят судно без экипажа
Ученые объединили два прибора в один, чтобы лучше анализировать газы
Ученые объединили два прибора в один, чтобы лучше анализировать газы
Лазер, графен, полимер: как создают электронику, которую можно сгибать
Лазер, графен, полимер: как создают электронику, которую можно сгибать
Световые качели: физики открыли новый способ управлять светом
Световые качели: физики открыли новый способ управлять светом
Удаленка навсегда: как бизнес адаптируется к новым реалиям
Удаленка навсегда: как бизнес адаптируется к новым реалиям

Новости компаний, релизы

Более 200 нижегородцев посетили научные кинопоказы честь Дня российской науки
Школьников и студентов Хабаровского края приглашают написать всероссийский диктант «Наука во имя Победы»
На Фестивале «Москва — Точка старта» победили проекты из МИФИ
Молодых и заслуженных ученых наградили в Хабаровске
Калужан приглашают к участию в XIII сезоне Международного инженерного чемпионата CASE-IN