物理学者は、アクティブメディアの混沌とし​​た動きと乱流の類似性を確認しました

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物理学者は、アクティブメディアの混沌とし​​た動きと乱流の類似性を確認しました
物理学者は、アクティブメディアの混沌とし​​た動きと乱流の類似性を確認しました
Anonim
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水面での活性ゲル粒子の無秩序な動き

フランスの物理学者は、独立したアクティブな動きが可能な粒子のグループの動きが、乱流に定量的に類似していることを発見しました。実験は、そのような自己推進粒子の二次元システムにおけるエネルギー散逸が、等方性乱流に使用される古典的な統計的コルモゴロフ理論を使用して記述できることを示した。これらの結果は、アクティブなオブジェクトの集合的なダイナミクスを研究するのに役立つ可能性があり、乱流の理論を発展させるために、科学者はフィジカルレビューXの記事に書いています。

過去10年間で、グループ内の活発に動く要素の集団行動に関する研究の焦点は、主に生物学的システム(細胞骨格、細菌、または群れの動物の要素)から人工的に作成されたオブジェクト(マイクロボット、分子モーター、およびアクティブなコロイド粒子。後者の場合、活性粒子は通常「スイーパー」と呼ばれます。これらは、原則として、一種のモーターを備えた非対称粒子です。つまり、絶え間ない化学反応を引き起こす触媒、または表面特性の違いにより、周りの液体。

そのような自己推進粒子のグループは、それ自身の行動の法則を持っている活性物質を形成しますが、これまでのところ詳細には研究されていません。たとえば、活性粒子からなる液体では、無秩序なカオス運動が発生する可能性があることが知られています。これは、通常の液体や気体の乱流に類似していますが、速度ははるかに遅くなります。通常の乱流とアクティブな乱流の類似性については、まだ議論の余地があります。アクティブなメディアの複雑な非線形運動では、定性的な類似性しか見つけられない科学者もいれば、記述への密接なアプローチについて話している科学者もいます。ただし、これら2つのアプローチの定量的な対応はまだ疑わしいです。

Christophe Ybertのリーダーシップの下にあるフランスの物理学者は、少なくとも1つのクラスのシステムでは、アクティブな乱流が古典的な乱流に定量的に対応することを発見しました。科学者たちは、マランゴニ効果の作用下で水面に沿って移動する30個の円盤状のゲル粒子からなる2次元システムでのエネルギー散逸は、等方性乱流の古典的なコルモゴロフ統計理論を使用して説明できることを示しました。

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実験の図を左側に示します。水面上の自走ゲル粒子のグループとその速度、右側は5分以内の30個の粒子すべての軌道の完全なセットです。

1941年にコルモゴロフによって提案された統計理論は、乱流を定量的に記述するための最も開発されたアプローチの1つです。この理論は、カスケードエネルギー散逸として高速での等方性乱流の発生を説明しています。通常の3次元乱流の場合、これは流体の流れがさらに小さなサイズの渦に崩壊するときに発生し、2次元システム(調査中の場合のように)では、渦は散逸中に減少しませんが、逆に、成長します。統計的に、このプロセスは、渦のサイズを散逸率に関連付けるスペクトルエネルギー密度関数によって記述されます。

実験の結果、研究の著者は、活性粒子の運動も、通常の乱流と同様に、2つのエネルギー散逸モードによって特徴付けられることを発見しました。最初、プロセスは粘度によって制御されますが、渦のサイズが十分に大きくなると、慣性領域への遷移が発生します。粘度への依存性がなくなり、スペクトルエネルギー密度関数の断面は対数スケールで線形になります。指数は-5/3です。

科学者たちは、粒子の動きはかなり低速で発生し(実験ではレイノルズ数は約25でした)、粒子が表面にある水の流れの中で乱流は発生しないと書いています。研究の著者によると、これはアクティブメディアにおけるエネルギー散逸の慣性レジームの最初の定量的確認です。自己推進粒子と乱流の発生との間に発見された定量的な類似性は、アクティブメディアの集合的なダイナミクス(特に顕著な長距離力)のさらなる調査だけでなく、乱流の理論の開発にも役立ちます。

乱流を研究する際の問題は、普遍的な定量理論の必要性だけでなく、乱流自体の出現と発達の流体力学的メカニズムを決定することにもあります。最近、米国とフランスの研究者は、これらのメカニズムの研究に重要な一歩を踏み出し、乱流カスケードは、衝突する渦の回転流間の共鳴から生じる、流れの楕円形の不安定性の発生によって引き起こされることを示しました。

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