Physiker rückgängig jahrhundertealten gordischen Knoten


Eine Jahrhunderte alte Physik-Frage hatten Wissenschaftler und Mathematiker in den Knoten, bis zwei Forscher an der University of Chicago sie vernichtet.

Dustin Kleckner, promovierte Wissenschaftler, und William Irvine, Assistant Professor für Physik, zur einen Panzer der Flüssigkeit Erzeugung von einer Wirbel-Schleife, eine Struktur ähnlich wie ein Rauch-Ring. Wirbel-Loops sind häufige Phänomene, zeigt sich in nicht nur Rauch-Ringe aber Atompilze, Feuerschlucker Tricks und sogar der äußeren Sonnenatmosphäre, die Korona.

Eine große Frage war, was passiert mit diesen Schleifen im Laufe der Zeit. Die mathematischen Theorien ausgearbeitet vor über einem Jahrhundert von William Thomson, besser bekannt als Lord Kelvin vorgeschlagen die Wirbel Ringe Knoten bilden könnten, und dass diese Knoten konserviert werden würde, was bedeutet, dass sie auf unbestimmte Zeit fortbestehen würde.

Aber Kleckner und Irvine festgestellt, dass sie nicht konserviert werden. Wirbel Ringe, die um ihre Achse oder Vortex Linie Spinnen, können verbinden, verwickeln sich und vernichten einander, fanden die Forscher. [Siehe Bilder der Vortex Knoten]

Einen Knoten

Mathematisch gesehen, ist ein Knoten eine Form, die sich nicht kreuzen, wenn auf einer anderen Oberfläche projiziert. So zum Beispiel ein Dreiblatt-Knoten (beliebt bei Celtic-Themenhotel Schmuck) kreuzt sich als als ein zweidimensionales Bild ansah, aber folgt man das Seil, das den Knoten macht, es funktioniert nicht. Das heißt, während der Knoten alle Arten von Formen, bilden könnten, wenn Sie im Anschluss des "Seils" durch den Vortex Ring gebildet wurden, würde es nie selbst berühren.

"Die Grundidee war, dass wenn Sie einen Wirbel und eine Grundsatz-Wirbel-Linie haben, es nicht in der Lage, selbst zu überqueren", sagte Kleckner LiveScience. Wenn sie nicht kreuzen, bleibt der Knoten intakt.

Die Mathematik klingt abstrus, aber experimentell getestet werden können. Kleckner und Irvines Setup vertreten das erste Mal jemand, Form-Knoten in einer Flüssigkeit, sondern als einfache Ringe geschafft hat, Kelvin Theorie zu testen.

Die Forscher wussten die Knoten, die sie gebildet würde nicht auf unbestimmte Zeit, konserviert, weil reale Flüssigkeiten Viskosität, oder turbulent zu werden, oder haben eine Reibung mit den Seiten des Behälters – genauso wie Bahnen aufgrund von Faktoren wie der Luftwiderstand perfekt nach Newtons Gesetzen Verhalten nicht. Aber Kleckner und Irvine dachte, es wäre noch nützlich, die Theorie gegen ein Experiment zu überprüfen.

Wirbel machen

So die beiden versucht, einen Weg finden, den Wirbel zu erzeugen. Es war schwieriger als es klingt. Das Problem war die Flüssigkeit (Wasser, in diesem Fall) immer so um den Wirbel zu machen über eine Struktur fließen. Die beiden wandte sich an Schnellboote, die die Flügel in Wasserfahrzeugen verwendet werden.

Um den Strudel zu machen, die Wissenschaftler nahmen die flügelförmige Tragflächenboot und machte es zu einem Ring. Dann schob sie ihn durch das Wasser. Es ist nicht anders als bläst Rauch Ring, aber in diesem Fall es geht, um die richtige der Luftstoß Kleckner sagte. In diesem Experiment wurde die Herausforderung immer Wasser, nur die richtige Form zu machen, wie es sich mit hoher Geschwindigkeit gesprengt wird.

Das hat eine Menge Arbeit mit 3-d-Drucker und einige schwere mathematische Modellierung. Nach dem Versuch einige 30 verschiedenen Formen, fanden die Forscher eine, die funktioniert. Wenn das Wasser mit einer Kraft Äquivalent zu 100-Mal der Erdbeschleunigung geschoben wird, bildet es die Wirbel Ringe, die miteinander verbinden und sich selbst zu vernichten. Das gleiche würde wahrscheinlich in anderen Medien passieren Kleckner sagte, solange man weit unter der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit bleibt.

Die Forscher planen, scale-up ihr Experiment, um herauszufinden, ob größere Wirbel sie stabiler macht.

Kleckner, sagte, dass das Experiment so viele Fragen wirft wie es beantwortet. "Wenn diese Dinge [in der Natur] vorhanden sind, sind sie wichtig in Turbulenzen? Wie ist dies die Korona der Sonne verbunden – das geht durch einen ähnlichen Prozess der Wiederverbindung, "sagte er. "Niemand hat Experimente wie vorher geschafft."

Die Forschung ist in den 3 März-Ausgabe der Zeitschrift Nature Physics detailliert.

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