Серед далеких від науки людей нерідко поширена думка, що наука вбиває красу або що допитливий вчений з аналітичним поглядом на світ не здатний отримувати естетичну насолоду від навколишнього світу. Таку точку зору нескладно спростувати за допомогою раціональних доводів, але іноді краще просто показати контрп^. Перед вами - роботи новоспечених лауреатів Галереї плинного руху (Gallery of Fluid Motion) цього року - конкурсу візуальної вистави робіт з механіки газів і рідин.
Проколоті краплі
На цьому відео крапля води потрапляє на конус із супергідрофобною поверхнею. Покриття з такими властивостями невмочувані і відштовхують воду.
У результаті крапля відскакує від вершини конуса і приймає форму тора, а потім розпадається на кільце з менших крапель. Так проявляють себе сили з боку поверхні - вони змушують кільце розширюватися, через що воно і руйнується.
Кристалічні істоти
Якщо спостерігати за випаром краплі солоної води на гідрофобній поверхні, то можна помітити, як вона в результаті перетвориться на сферу з кристалічної солі.
Автори цього відео додатково нагрівали підкладку, що призвело до появи нового феномену - виникаючі згустки стали відрощувати «ніжки» і підніматися на них вгору. Рідина, що залишилася в сфері, надходила по «ніжках» до підкладки, де випаровувалася, а принесена нею сіль дозволяла структурам рости.
Галерею плинного руху щорічно влаштовує Американське фізичне товариство. Учасникам необхідно представити постер або відео про своє дослідження, які були б вражаючими з візуальної точки зору і при цьому спиралися на серйозну наукову складову. Всі роботи цього року можна побачити на сайті Галереї.
Вчені провели безліч подібних експериментів, завдяки чому змогли навіть виділити найбільш типові форми «кристалічних істот».
Квітучий візерунок висихаючої краплі
Досвід на цьому відео також пов'язаний з висиханням крапель, але замість розчиненої солі вода тут містить зважте наночастинок. Рідина, що розтеклася по влучній поверхні, висихає від краю до центру, при цьому залишаючи твердий осад зі злипшихся частинок.
Оскільки обсяг речовини змінюється, то в міру відліку води в осаді наростають механічні напруги. Вони призводять до появи тріщин, що утворюють регулярний візерунок, що нагадує пелюстки квітки. Нерівномірність виникаючих сил також змушує шар наночастинок згинатися і підніматися над підкладкою.
Уявлення про красу науки можна отримати і за допомогою інших прикладів: нескінченні візерунки фракталів, витіюваті траєкторії об'єктів у завданні трьох тіл або топологічно оптимізовані будівельні деталі. Правда, для цього необхідно хоча б на базовому рівні уявляти собі абстрактне математичне формулювання, що стоїть за цими картинками.
Механізм формування візерунка з тріщин сильно нагадує каскадний розлом, за допомогою якого нещодавно пояснили тигрові смуги на південному полюсі Енцелада.
Бульбашки опрокинених хвиль
Добре відомо, що гребені морських хвиль, що перевертаються, створюють піну, проте багато численних моделей води не відтворюють цієї поведінки.
Автори цього відео модифікували програми, так що в них бульбашки стали зливатися один з одним і з поверхнею води набагато гірше. У результаті вченим вдалося відтворити формування піни зі збереженням захопленого водою обсягу повітря.
Струмені, що качаються
Вивченням перебігу рідин малих обсягів вузькими каналами займає розділ гідродинаміки під назвою мікрофлюїдика. Найпростішим прикладом такого процесу є робота друкуючої головки струменевого принтера, але в науці в останні роки спостерігається активний розвиток експериментальних методів, в першу чергу для потреб молекулярної біології.
На цьому відео показано, що в мікрофлюїдних системах можуть виникати стійкі коливання, причому їх поява повністю визначена геометрією системи.
Протилежні спіральні вихори
Якщо локальний тиск у воді падає нижче тиску насиченого пара, то трапляється кавітація - утворення бульбашок пара всередині товщі рідини. Найчастіше таке відбувається на кромках лопатей гребних гвинтів, які швидко обертаються.
У цьому відео показано взаємодію потоків від двох гвинтів, що обертаються в різні боки. Спіралі з кавітаційних бульбашок, що формуються, стикаються між собою, породжуючи додаткові вигини, а також вторинні вихори і спіральні течії.
Газ з бульбашки, що лопається
Утворення бульбашок важливе в багатьох контекстах, починаючи від кругообігу води на планеті до розтину пляшок шампанського і пива. У цьому контексті фізики зазвичай вивчають розрив тонких плівок рідини.
Автори цього відео вирішили зосередитися на газі, що покидає міхур. Виявилося, що бульбашка, яка лопається, може «пускати кільця», тобто породжувати кілька тороїдальних вихорів, здатних видалятися на відстані в рази більше діаметра міхура.
Вчені також досліджували вплив на цей процес таких властивостей рідини, як поверхневе натягнення, щільність і в'язкість.