Что такое турбулентность?

Что такое турбулентность?

Обычно понятие турбулентности связывают с бурным, беспорядочным движением жидкости или газа. Турбулентность легко наблюдать даже при течении воды из открытого до упора крана. Ее мы наблюдаем, когда видим два белых следа, образующихся из-за срыва вихрей с крыльев быстро летящего самолета.

Казалось бы, какое нам дело до всего этого? Ну конечно, с прагматической точки зрения важно изучать такие турбулентные явления, как циклоны и антициклоны, а также морские течения: они определяют погоду на Земле. Знание законов турбулентности нужно для проектирования самолетов и морских кораблей. Но это еще не повод всем задуматься об этом явлении. Однако в наши дни представление о турбулентности стало одним из важнейших в понимании устройства мироздания. Совсем не знать об этом — словно не знать, что Земля круглая.

Классическая физика изучала турбулентность в жидкостях и газах и недолюбливала ее, поскольку та никак не поддавалась расчетам. В начале XX века великим французским математиком Анри Пуанкаре были созданы математические методы, применение и развитие которых позволило сформировать современные представления о турбулентности.

Первое потрясение состояло в том, что она встречается гораздо чаще, чем привыкли думать. Она была обнаружена в плазме при попытках термоядерного синтеза. Турбулентной, то есть хаотической, оказалась практически вся активность Солнца, проявляющаяся в пятнах, вспышках, протуберанцах и т. п. Турбулентными оказались космические магнитные поля и движение космической материи. Хаотическими оказались многие явления и в микромире, и в химических и биологических системах, и, похоже, в социальных. Хаос был найден даже в сердечной мышце — это ее фибрилляции.

Второе потрясение было связано с тем, что при всей видимой случайности в турбулентности был обнаружен внутренний порядок, когда соседние молекулы движутся согласованно. В каком-то смысле оказалось, что плавное ламинарное течение упорядочено гораздо меньше. В нем каждая молекула хаотически движется сама по себе, не согласуя движения с соседями.

Это заставило ученых более внимательно отнестись к исследованию хаоса, что привело к третьему потрясению. Оказалось, что хаос, связанный с турбулентным движением, выступает в качестве основы для самопроизвольного возникновения макроскопического порядка. Это явление получило название самоорганизации.

Первым на опыте такую спонтанную самоорганизацию обнаружил химик Борис Белоусов. Им была открыта химическая реакция, в которой концентрации реагирующих веществ периодически, то есть упорядоченно, колебались во времени, образуя волны. Теоретическое объяснение этому явлению дал бельгийско-американский ученый русского происхождения Илья Пригожин.

Теория турбулентности и хаоса позволила объяснить огромное число природных и техногенных явлений. Однако, как и полагается крупному научному достижению, решив одни важные вопросы, эта теория проявила гораздо больше новых. Стало понятно, что мы живем не в статичном, а в самоорганизующемся, меняющемся мире, и эти изменения предстоит предугадывать.