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

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...

Science Advances: Ученые сумели подключить электроды к клеткам
Science Advances: Ученые сумели подключить электроды к клеткам

Исследователям из Университета Линчепинга...

Small Methods: Сублимация кристаллов диарилэтена — контроль над формой
Small Methods: Сублимация кристаллов диарилэтена — контроль над формой

Фотомеханические материалы из фотохромных...

Квантовые датчики обеспечат технологическую революцию к 2045 году
Квантовые датчики обеспечат технологическую революцию к 2045 году

Квантовые датчики находятся в авангарде т...

Стало известно, зачем ЕС инвестирует 24 млн евро в полупроводники
Стало известно, зачем ЕС инвестирует 24 млн евро в полупроводники

Европейский союз предпринимает решительные шаг...

В МИФИ создали интеллектуальную систему контроля работы 3D-принтеров
В МИФИ создали интеллектуальную систему контроля работы 3D-принтеров

Сотрудники Снежинского физико-технического инс...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Платиновая корона и танец молекул: как газы меняют структуру материала
Платиновая корона и танец молекул: как газы меняют структуру материала
PRSBBS: Почему макаки чешутся перед плохими решениями
PRSBBS: Почему макаки чешутся перед плохими решениями
13 миллиардов лет назад: как темная материя управляла галактиками
13 миллиардов лет назад: как темная материя управляла галактиками
Луна, птицы и бактерии: как наука стала главным героем дня в Казани
Луна, птицы и бактерии: как наука стала главным героем дня в Казани
День науки в КАИ: двигатели, стартапы и квантовые технологии
День науки в КАИ: двигатели, стартапы и квантовые технологии
Ферменты против похмелья: как новый сенсор изменит медицину и не только
Ферменты против похмелья: как новый сенсор изменит медицину и не только
Сок под микроскопом: ученые научились ловить опасный гербицид за 20 минут
Сок под микроскопом: ученые научились ловить опасный гербицид за 20 минут
Молодые ученые против COVID-19 и хронических ран: как открытия изменят медицину
Молодые ученые против COVID-19 и хронических ран: как открытия изменят медицину
Питомниковый кашель больше не проблема: появились быстрые тесты для собак
Питомниковый кашель больше не проблема: появились быстрые тесты для собак
10 секунд до чистоты: история устройства, которое изменило дезинфекцию
10 секунд до чистоты: история устройства, которое изменило дезинфекцию
CARMA II — автономный робот, который делает ядерные объекты безопаснее
CARMA II — автономный робот, который делает ядерные объекты безопаснее
Сорняк-разрушитель или лекарство будущего: ученые открыли секрет рейнутрии
Сорняк-разрушитель или лекарство будущего: ученые открыли секрет рейнутрии
Энергия будущего: низкотемпературная плазма и ее невероятные возможности
Энергия будущего: низкотемпературная плазма и ее невероятные возможности
От идеи до Росатома: история успеха проекта RSP
От идеи до Росатома: история успеха проекта RSP
От лаборатории к реальности: как кристаллы времени заряжают мир
От лаборатории к реальности: как кристаллы времени заряжают мир

Новости компаний, релизы

Школьников и студентов Хабаровского края приглашают написать всероссийский диктант «Наука во имя Победы»
Три представительницы Республики Татарстан стали победителями Всероссийского конкурса Знание.Лектор
Калужан приглашают к участию в XIII сезоне Международного инженерного чемпионата CASE-IN
В Калуге обсудили меры поддержки молодых учёных региона
Молодых и заслуженных ученых наградили в Хабаровске