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  • 自然界中湍流无处不在,但现在才终于揭示:主动湍流的普遍性质!

    湍流是混沌的,但具有普遍的统计特性,近年来,在细菌悬浮液、上皮细胞单层、生物聚合物和分子马达混合物等活性流体中发现了看似湍流的流动。在《自然物理》期刊上发表的一项新研究中,来自巴塞罗那大学、普林斯顿大学和法国理工学院的科学家发现,活动向列相流体中的混沌流动,可以用独特的普适标度定律来描述。

    自然界中湍流无处不在,但现在才终于揭示:主动湍流的普遍性质!

    湍流在自然界中无处不在,从恒星中的等离子体流,到地球上的大规模大气和海洋流,再到飞机引起的气流。湍流是混沌的,不断地产生出现并分裂成较小的漩涡。然而,当从统计意义上考虑这种复杂的混沌行为时,湍流遵循普遍的标度定律。这意味着湍流的统计特性,在湍流的产生方式和观察特定流体的特性(如其粘度和密度)方面都是独立的。

    自然界中湍流无处不在,但现在才终于揭示:主动湍流的普遍性质!

    科学家在活性流体的背景下重新审视了这一普适性概念,在活跃的湍流中,流动和漩涡不是由某些外部因素(如大气中的温度梯度)的作用产生,而是由活跃的流体本身产生。这些流体的活性特性,取决于它们内部产生作用力的能力,例如,由于细菌游动或分子马达对生物聚合物的作用。普林斯顿大学博士后研究员里卡德·阿尔特解释说:当这些活跃力足够强大时,流体就会开始自发流动,由活跃过程注入的能量提供动力。

    自然界中湍流无处不在,但现在才终于揭示:主动湍流的普遍性质!

    当应激力很强时,这些自发流动就会变成一种自生涡的混沌混合——称之为主动湍流。研究人员专注于一种特定类型的活性流体:二维活性向列相液晶。它描述了实验系统,如细胞单分子层,以及生物聚合物和分子马达的悬浮液。大规模的模拟表明,活跃流动组织成一个特征大小的无序涡流模式;研究了比涡旋特征大小大得多的流动,发现,这些大规模流动的统计特性遵循明显的标度律。

    自然界中湍流无处不在,但现在才终于揭示:主动湍流的普遍性质!

    巴塞罗那大学复杂系统研究所(UBICS)的Jaume Casademut教授指出:我们证明了这种标度定律是普遍存在的,与活性流体的具体性质无关。这一标度律在活动向列相流体中与安德烈·科尔莫戈洛夫1941年经典湍流的标度律等价,但具有不同的指数。这是由无惯性粘性流动和活动流体内部自组织作用力共同作用的结果。

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    这项研究另一个引人注目的结果是:在给定的尺度上,所有由有源力注入的能量,都被相同尺度上的粘性效应所耗散。因此,与经典湍流形成鲜明对比的是,没有能量可以转移到其他尺度上。无论是在模拟中还是在分析中,研究人员都证明了一种最小的活动向列流体会以某种方式自组织,使得主动能量注入精确地平衡了每个尺度上的能量消耗。

    自然界中湍流无处不在,但现在才终于揭示:主动湍流的普遍性质!

    博科园|研究/来自:巴塞罗那大学

    参考期刊《自然物理》

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