Brownse beweging van deeltjes in vloeistof is een veelvoorkomend collectief gedrag in biologische en fysieke systemen. In een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang , Kai Leong Chong, en een team van onderzoekers in de natuurkunde, Engineering, en lucht- en ruimtevaarttechniek in China, voerde experimenten en numerieke simulaties uit om te laten zien hoe de beweging van wervels leek op inertiële Brownse deeltjes. Tijdens de experimenten, de roterende turbulente convectieve wervelstroom zorgde ervoor dat de deeltjes eerst ballistisch konden bewegen en na een kritieke tijd diffuus in een directe gedragsovergang - zonder door een hydrodynamisch geheugenregime te gaan. Het werk houdt in dat convectieve wervels een traagheidsgeïnduceerd geheugen hebben, dus hun kortetermijnbeweging was hier voor het eerst goed gedefinieerd in het kader van de Brownse beweging.

Brownse beweging

Albert Einstein gaf in 1905 voor het eerst een theoretische verklaring voor de Brownse beweging met de beweging van stuifmeeldeeltjes in een thermaal bad, het fenomeen is nu een algemeen voorbeeld van stochastische processen die veel voorkomen in de natuur. Later in 1908, Paul Langevin merkte de traagheid van deeltjes op en voorspelde dat hun beweging binnen korte tijd ballistisch zou zijn, veranderen in diffuse beweging na een specifieke tijdlijn. Echter, vanwege de snelheid van deze overgang, het duurde meer dan een eeuw voordat onderzoekers het fenomeen direct konden observeren. Hoe dan ook, de "pure" Brownse beweging voorspeld door Langevin werd niet waargenomen in vloeibare systemen en de overgang overspande een breed scala aan tijdschalen. De langzame en soepele overgang vond plaats vanwege het hydrodynamische geheugeneffect, om uiteindelijk lange-afstandscorrelaties te genereren. Wetenschappers hadden eerder het hydrodynamische geheugeneffect waargenomen in meerdere systemen, waaronder colloïdale suspensies, deeltjes gesuspendeerd in de lucht en deeltjes gevangen in optische pincetten. In dit werk, Chong et al. toonde aan hoe wervels in sterk verbindende stromen zich gedroegen als traagheidsdeeltjes om pure Brownse beweging uit te voeren, Voor de eerste keer, zonder beïnvloed te worden door het hydrodynamische effect. Ze hebben de wervelingen geïdentificeerd en geëxtraheerd met behulp van het Q-criterium (een methode voor vortex-identificatie). Het werk zal hen helpen de vortexbeweging gedurende een bepaalde periode in astrofysische en geofysische systemen te voorspellen.

Een bestaande uitdaging in astrofysisch en geofysisch onderzoek is om de beweging van wervels binnen een bepaalde tijdsperiode te voorspellen. Chong et al. een modelsysteem gebruikt om wervelingen in convectieve stromingen te bestuderen, bekend als de Rayleigh Benard (RB) convectie, die een vloeibare laag van vaste hoogte omvat, van onderaf verwarmd en van bovenaf gekoeld, terwijl het met een hoeksnelheid om de verticale as wordt geroteerd. Het temperatuurverschil in het systeem destabiliseerde de stroming voor het optreden van convectie wanneer de thermische aandrijving voldoende sterk was. De wetenschappers gebruikten drie dimensieloze parameters om de stromingsdynamiek te karakteriseren, inclusief het Rayleigh-nummer (Ra), Prandtl-nummer (Pr) en het Ekman-nummer (Ek). In aanwezigheid van rotatie, vorticale structuren ontstonden als vloeistofpakketten die op en neer spiraalden. Onderzoekers blijven dergelijke wervelpluimen onderzoeken vanwege hun belang in momentum en warmtetransport.

Chong et al. bestudeerde eerst de beweging van wervels door hun positieverandering te volgen via een reeks snapshots. Ze karakteriseerden het statistische gedrag van de wervels met behulp van hun gemiddelde kwadratische verplaatsing (MSD). De MSD-waarden voor verschillende Ek en Ra vertoonden vergelijkbaar gedrag, wat aangeeft dat in een kort tijdsbestek de vortexbeweging overging van ballistische beweging naar diffuse beweging. Deze overgang leek op Brownse beweging in een thermaal bad. De wetenschappers behandelden de wervels daarom als Brownse deeltjes en beschreven hun beweging door de Langevin-vergelijking op te lossen om hun MSD te verkrijgen. De resultaten impliceerden een vergelijkbare dynamiek van vortexbeweging voor Ra en Ek, wat suggereert dat de wervels "puur Browniaans" gedrag vertoonden. In het convectiesysteem wervels droegen vloeistofpakketten die heter en kouder waren dan de omringende vloeistof; dit relatief kleine dichtheidsverschil veroorzaakt door temperatuurvariaties in het experiment gaf aanleiding tot het opmerkelijke ballistische gedrag.

Ondanks Browniaans-achtige beweging, de ruimtelijke verdeling van de wervels was niet willekeurig, en vertoonde patroonstructuren, die de wetenschappers verkregen met behulp van snapshots van verschillende rotatiesnelheden. Naarmate het Ekman-getal (Ek) varieerde, er zijn verschillende veranderingen opgetreden in de vortexdistributie. Aanvankelijk, het aantal wervelingen nam toe met de rotatiesnelheid, zodat de aanvankelijk verdunde en willekeurig verdeelde wervels sterk geconcentreerd en geclusterd werden. De toenemende dichtheid van het aantal vortexen met de rotatiesnelheid kwam ook overeen met eerdere onderzoeken. Volgende, toen de rotatiesnelheid voldoende hoog werd, ze vormden een vortex-rasterstructuur. Wanneer Chong et al. ingezoomd op een lokale regio om de hoogste rotatiesnelheid te observeren, ze observeerden een regelmatig patroon voor dergelijke vortex-rasterstructuren. De roodachtige gebieden van de wervels vormden een vierkant rooster en de tussenliggende blauwachtige gelokaliseerde gebieden vertoonden een hoog spanningsgedrag. Het team schreef de vierkante patronen die in het werk werden waargenomen toe aan verschillende grensinstellingen en controleparameters.

Ondanks willekeurige beweging in het temporele domein, de wervels vertoonden een specifieke ruimtelijke ordening, wat resulteerde in een schijnbare tegenstrijdigheid. Chong et al. observeerde de banen van wervelingen tijdens langzame en snelle rotatie. Echter, de draaikolken reisden niet ver genoeg om andere draaikolken te "zien" of ermee in wisselwerking te staan. Ze schreven de ruimtelijke volgorde van de wervels toe aan de competitie tussen de twee dynamische processen die worden gekenmerkt door de relaxatietijdschaal van de vortex en de Brownse tijdschaal, respectievelijk.

Op deze manier, Kai Leong Chong en collega's lieten zien hoe de beweging van wervels in roterende thermische convectie leek op traagheidsdeeltjes die Brownse beweging uitvoeren. De beweging onderging een scherpe overgang van ballistische naar diffuse gebieden zonder een intermediair hydrodynamisch geheugengebied te ervaren. De waarneming van pure Brownse beweging werd voor het eerst voorspeld door Paul Langevin, hoewel het in de praktijk niet eerder werd waargenomen voor traagheidsdeeltjes in vloeibare systemen. Het werk benadrukte bestaand klassiek theoretisch werk dat liet zien hoe passieve sporen een overgang vertoonden van ballistisch naar diffuus gedrag, vergelijkbaar met de experimentele waarnemingen van deze studie. De waargenomen pure Brownse beweging wees ook op de onbeduidendheid van het hydrodynamische geheugeneffect. Chong et al. beschouwde de Coriolis-kracht tijdens de studie vanwege de relevantie ervan in vortexvorming in natuurlijke fenomenen, inclusief tropische cyclonen in de atmosfeer, oceaanwervels en de langlevende gigantische rode vlek in Jupiter. De bevindingen zullen veel situaties in de astrofysica beïnvloeden, geofysica en meteorologie.

© 2020 Wetenschap X Netwerk