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

Российские ученые доказали теорию акустической турбулентности
Российские ученые доказали теорию акустической турбулентности

Исследователи нашли новый способ моделирования...

AIS: Носимый робот WeaRo снизит риск травм на производстве
AIS: Носимый робот WeaRo снизит риск травм на производстве

Ученые разработали инновационного мягкого носи...

Детектор sPHENIX готовится раскрыть тайны кварк-глюонной плазмы
Детектор sPHENIX готовится раскрыть тайны кварк-глюонной плазмы

Опираясь на наследие предшественника PHEN...

PRA: Виноград поможет создать более совершенные квантовые технологии
PRA: Виноград поможет создать более совершенные квантовые технологии

Обычный виноград может улучшить работу квантов...

В POSTECH приблизили будущее с растягивающейся электроникой
В POSTECH приблизили будущее с растягивающейся электроникой

Исследователи POSTECH создали новую технологию...

В МГУ моделируют свойства оксида магния в разных фазовых состояниях
В МГУ моделируют свойства оксида магния в разных фазовых состояниях

Сотрудники кафедры физической химии химическог...

Открыты новые материалы для производства передовых компьютерных чипов
Открыты новые материалы для производства передовых компьютерных чипов

Инженерам нужны новые материалы, чтобы сделать...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Фаги в сельском хозяйстве защитят растения от бактерий без вредных химикатов
Фаги в сельском хозяйстве защитят растения от бактерий без вредных химикатов
Термоядерный синтез: как ученые пытаются приручить энергию Солнца
Термоядерный синтез: как ученые пытаются приручить энергию Солнца
SciRep: Разработан новый электроимпульсный метод переработки углеволокна
SciRep: Разработан новый электроимпульсный метод переработки углеволокна
В СПбГУ создали фотокатализатор для очистки воды от органики
В СПбГУ создали фотокатализатор для очистки воды от органики
Новый экологически безопасный реагент поможет с разливами нефти в Арктике
Новый экологически безопасный реагент поможет с разливами нефти в Арктике
Российские ученые доказали теорию акустической турбулентности
Российские ученые доказали теорию акустической турбулентности
NatComm: Ученые объяснили противораковый и противомалярийный эффект губки
NatComm: Ученые объяснили противораковый и противомалярийный эффект губки
Oxford Journal of Archaeology: Обнаружена древнейшая в мире трехмерная карта
Oxford Journal of Archaeology: Обнаружена древнейшая в мире трехмерная карта
Ученые исследовали температурные изменения в грунтах под зданиями Салехарда
Ученые исследовали температурные изменения в грунтах под зданиями Салехарда
NTR: Курящие люди зарабатывают меньше некурящих при прочих равных
NTR: Курящие люди зарабатывают меньше некурящих при прочих равных
Мировой рынок фаготерапии достигнет $116 млн к 2028 году
Мировой рынок фаготерапии достигнет $116 млн к 2028 году
TheInnovator: Роботы с искусственным интеллектом изменят рынок труда
TheInnovator: Роботы с искусственным интеллектом изменят рынок труда
MIT: Мертвая звезда на краю черной дыры ускоряет рентгеновские вспышки
MIT: Мертвая звезда на краю черной дыры ускоряет рентгеновские вспышки
JEST: Ученые разрабатывают литий-ионную батарею с повышенными характеристиками
JEST: Ученые разрабатывают литий-ионную батарею с повышенными характеристиками
Пробелы на мировой карте биоразнообразия заполнили благодаря данным ученых СССР
Пробелы на мировой карте биоразнообразия заполнили благодаря данным ученых СССР

Новости компаний, релизы

Университет Иннополис открыл колледж для подготовки ИТ-специалистов и робототехников
МФТИ подготовил более 140 специалистов в области синхротронных и нейтронных исследований
Разработанную по нацпроекту технологию для нижегородского завода наградили на международной выставке
В Москве открыт памятник «отцу» советского ядерного оружия
Итоги работы Набережночелнинского педагогического университета в Центрах открытого образования представлены на совещании в М...