динамика жидкости в пористых средах

В кольцевом канале между двумя зубчатыми кольцами висят микросферы: одни радиусом 8 микрометров, другие 14. Включается разряд, и частицы приходят в движение. Мелкие едут в одну сторону, крупные в другую. Словно в торговом центре, где для людей разного роста работают эскалаторы, движущиеся навстречу друг другу.

Капля воды на плёнке фторполимера сначала ведёт себя как положено: лежит и испаряется. Но стоит ей уменьшиться до четверти начального размера, как она срывается с места и за доли секунды проскакивает расстояние, в несколько раз превышающее её собственный радиус. Дальше она ползёт медленно, но упорно, оставляя за собой невидимый след из электрических зарядов.

Вода в баке крутится со скоростью, близкой к четырём оборотам в секунду, и в ней, как по волшебству, возникает колонна размером с обеденный стол. Вихрь живёт десятки оборотов, хотя всё вокруг него бурлит и дрожит. Откуда берётся такая устойчивость? Секрет в том, что вихрь не изолирован. Его подпитывают волны, которые рождаются у стенок бака и бегут внутрь, как рябь по поверхности пруда.

Пузырёк водорода на платиновом электроде ведёт себя как пловец, который пытается всплыть, но каждый раз, когда он почти отрывается, снизу его хватают за ноги. В лаборатории такое поведение сняли высокоскоростной камерой: миллиметровый пузырь висит у поверхности, хотя сила Архимеда тянет его вверх в тысячи раз сильнее, чем может удержать поверхностное натяжение.

Ткачиха сидит за станком, и её руки движутся в ритме, который невозможно предсказать заранее. Нити то сходятся, то расходятся, образуя узор, который кажется случайным, но подчиняется строгим правилам.

Группа светящихся точек плывёт в темноте, то сжимаясь в островки, то расходясь волнами. Это не рыбы и не птицы — это математическая модель активной материи, где каждая частица тратит собственную энергию на движение, а заодно рождается, умирает и соперничает с соседями за пространство.

Ранняя Вселенная напоминала не спокойный пруд, а бурлящий котёл. Вещество в ней текло, сталкивалось, завихрялось — и всё это на фоне стремительного расширения самого пространства. Чтобы понять, как из этой горячей каши родились звёзды и галактики, физики строят цифровые симуляции — компьютерные модели, воспроизводящие физические процессы по законам теории.

Поезд метро мчится по тоннелю, а пассажиры в последнем вагоне даже не покачиваются. Примерно так устроен кровоток в лёгких: сердце толкает кровь мощными толчками, но к тому моменту, когда она добирается до вен, пульсация почти исчезает. Долгое время никто не мог построить полную математическую картину этого превращения — не хватало самого важного звена, капиллярной сети.

Ночная река усеяна крошечными искрами. Это не планктон — это функциональная пыльца-сенсор, миллиметровый прибор, который сам плывёт и сам измеряет химию воды. Каждая частица — маленькая лаборатория. Внутри неё встречаются два реагента: один вызывает свечение при контакте с загрязнителем, второй — цветной фильтр — отсекает лишние помехи.

Стеклянные линзы и зеркала кажутся идеально гладкими и неподвижными. Но внутри них кипит скрытая жизнь. Атомы в аморфном материале (веществе без кристаллической решетки) упакованы беспорядочно, и эта неразбериха создает сложный ландшафт энергии — как горная страна с бесчисленными холмами и долинами. В таких материалах всегда есть дефекты — места, где атомы сидят неудобно.

Мозг обладает собственной системой выведения отходов: по узким периваскулярным каналам, окружающим артерии, течёт спинномозговая жидкость – ликвор. Стенки этих каналов мягкие, податливые и ритмично колеблются в такт пульсовой волне, а окружающая мозговая ткань пориста, словно губка.

Почва — не сплошная губка, а лабиринт из пор разного калибра. После дождя вода заполняет их не все сразу: сначала самые узкие, потом те, что пошире. Физики построили теорию этого процесса, взяв за основу простой образ — множество сообщающихся сосудов. Перетоки между порами подчиняются законам течения вязкой жидкости, а движущей силой служит разность химических потенциалов.

Океанское течение шириной в сотни километров живёт своей жизнью, подпитываясь энергией от крошечных водоворотов. В атмосфере происходит нечто похожее: мелкие завихрения отдают свою мощь огромным воздушным потокам. Этот процесс — обратный каскад энергии — известен давно. Но до сих пор его изучали, считая воздух абсолютно сухим, как будто в нём никогда не бывает облаков.

Безмембранные органеллы — крохотные фабрики внутри клетки — нарушают привычные каноны. Взять хотя бы ядрышко: здесь синтезируются рибосомные РНК — длинные цепи, сплетённые из углеродных сахаров, богатые кислородом фосфатных групп и прошитые водородными связями, взвешенные в водной среде ядра.

У каждой активной частицы в новой модели есть внутренний ритм: она вращается либо влево, либо вправо. Хиральность — ключевое свойство: одни кружатся по часовой стрелке, другие — против. Но стоит такой частице столкнуться с препятствием или соседкой, как она переключает своё вращение, словно фигурист, который после касания борта взрывается обратным пируэтом.

Сверхтвёрдое тело — экзотическое состояние материи, сочетающее кристаллический порядок со сверхтекучестью: вещество одновременно сохраняет жёсткую периодическую структуру и течёт без трения. Его получают, охлаждая атомы почти до абсолютного нуля.

Миллионы ресничек — тонких волосков — трудятся внутри крошечных протоков нашего тела. Они бьются согласованно, словно вёсла галеры, и проталкивают вязкую слизь или жидкость. Авторы новой работы предложили смотреть на ресничный ковёр как на активную пористую среду — что-то вроде губки, которая сама себя сжимает и разжимает, прогоняя воду.

Капля густого шампуня падает в воду и застывает причудливым жгутом. Жидкость, которая одновременно течёт и пружинит, называют вязкоупругой. В ней крошечные частицы под действием ультразвука ведут себя совсем не так, как в воде. Вязкоупругость — свойство материала одновременно растекаться как мёд и возвращать форму как резина.

Выдавливая кетчуп из бутылки, вы воюете с его упрямством: сначала он стоит на месте, потом резко вылетает целой порцией. Это типичный неньютоновский нрав — сопротивление течению меняется в зависимости от того, как сильно вы давите. Но авторы новой работы нашли способ убрать это сопротивление почти полностью.

В кристалле из воды и едкого цезия атомы кислорода и цезия сидят на своих местах, как бусины в жёсткой сетке. Атомы водорода ведут себя иначе — они словно пассажиры, которые постоянно пересаживаются с места на место. В этом слоистом веществе каждый кислород связан с тремя соседями водородными мостиками, образуя подобие пчелиных сот.

Пористый имплантат, заполненный лекарством, работает как губка, которая медленно отдаёт вещество в окружающую жидкость. Но если жидкость течёт быстро, она вымывает лекарство иначе, чем в спокойной среде. Авторы просчитали на компьютере, как разные скорости потока и свойства пористой структуры влияют на выход лекарства.

Корабль, скользящий по воде, постоянно трётся о неё, как ладонь о шершавую поверхность. Это трение съедает топливо и замедляет ход. Один из способов уменьшить его — пустить под днище воздух: вода перестаёт прилипать к корпусу, и сопротивление падает. Но воздух ведёт себя капризно: иногда помогает, а иногда мешает.

Капля воды на столе обычно лежит неподвижно. Но стоит сделать стол чуть мягче с одного края и жёстче с другого — капля поползёт в сторону жёсткости. Это явление называют дуротаксисом: жидкость сама выбирает, куда ей течь, без насосов и электричества. Такой трюк возможен благодаря тому, что поверхность под каплей неодинакова.

Крошечная капля масла протискивается через водный канал, который уже её самой. В чистой воде она ползёт спокойно, как круглый шарик. Но добавьте в воду немного мыла — и капля начинает изгибаться, словно гусеница.

Город, где улицы не прямые, а извилистые, с тупиками и скрытыми проходами. Курьер на велосипеде потратит гораздо больше времени, чтобы доставить посылку, чем в городе с ровной сеткой дорог. Так и молекулы внутри живой ткани: их путь зависит от того, насколько «запутана» структура ткани. Учёные построили модель, которая описывает движение молекул в такой «запутанной» среде.

Турбулентный поток у стенки похож на толпу, где каждый толкается в свою сторону. Вихри возникают и распадаются, создавая хаотичные толчки. Если в стену встроить звуковую подложку с дефектом — как камертон, который звенит только на одной ноте, — она начинает откликаться лишь на узкий диапазон частот.

Дождевая капля падает в лужу, и от удара взлетает фонтанчик мелких брызг. Каждая из них — новая, вторичная капля. Сколько их, какого они размера и как долго живут, зависит от множества вещей: скорости падения, размера капли, свойств воды. Учёные решили разобраться в этом хаосе с помощью компьютерного моделирования. Они воссоздали падение одной и двух капель дождя в воду.

В пористых материалах — почве, горных породах, фильтрах — жидкости движутся через крошечные извилистые каналы. Когда в такой среде одновременно присутствуют две несмешивающиеся жидкости, например вода и воздух, граница между ними постоянно меняется: пузырьки воздуха вытесняют воду из одних пор и открывают путь другим.

В узкой щели между двумя пластинками вода из влажного воздуха собирается сама собой — это капиллярная конденсация. Если щель шириной всего несколько нанометров, вода уже не ведёт себя как сплошная жидкость: каждая молекула на счету. Но как именно заполняется такая щель — слоями или сразу целиком — до сих пор было неясно.

Внутри почек, печени и других органов жидкость течёт по каналам, которые сжимаются и разжимаются, как шланг под ногой. Стенки этих каналов не жёсткие: они пористые, упругие и пропитаны влагой. Учёные построили простую двумерную модель, чтобы разобраться, как такая мягкая пористая крышка меняет поток, который гонят вдоль канала волны сокращений.

Молекула воды, оказавшись рядом с углеродным кольцом — например, в ароматической структуре, — начинает вибрировать, и эти колебания тут же попадают под управление невидимого дирижёра.

Лимфатические сосуды — это транспортная сеть с односторонним движением. По ним жидкость течёт только вперёд благодаря крошечным клапанам-лепесткам. Эти структуры открываются лишь в одну сторону, создавая асимметрию — направленность, без которой поток бы остановился.

Живая клетка похожа на оживлённый город: по её улицам непрерывно движутся грузы, а транспортные потоки регулируются так, чтобы всё необходимое попадало в нужное место вовремя. Но если за городом можно наблюдать с вертолёта, то за внутренностями клетки долгое время удавалось следить лишь через узкую щель — микроскоп показывал только плоскую картинку.

Вода в реке обтекает камни, воздух огибает крыло самолёта — эти движения описываются уравнениями, которые сложно решить даже на мощном компьютере. Нейросети умеют аппроксимировать такие решения, но часто ошибаются, когда данные собраны лишь в нескольких точках или зашумлены.

Плоский лист с системой прорезей, помещённый в поток воды или воздуха, демонстрирует поведение, напоминающее самонастраивающиеся жалюзи. Динамический напор раскрывает щели, и каждая полоска материала наклоняется, становясь миниатюрным крылом — элементом, создающим подъёмную силу за счёт разницы давлений на поверхностях.

Стержень, воткнутый в гранулированный материал — например, в песок или слой мелких шариков, — ведёт себя совсем не так, как можно ожидать. Вместо того чтобы уходить вертикально вглубь, он быстро отклоняется от вертикали и в итоге ложится горизонтально. Это выяснили исследователи, которые бросали жёсткие и гибкие стержни в двумерный слой пенопластовых шариков и следили за их движением на высокоскоростной камере.

Капля масла в воде, покрытая молекулами мыла, ведёт себя не так, как голая капля. Молекулы мыла — это маленькие палочки: один конец любит воду, другой — масло. В спокойной жидкости они стоят на поверхности, как частокол, и снижают поверхностное натяжение — ту силу, что стягивает каплю в шар.

Кишечная палочка — крошечный пловец в мире, где вода густая, как кисель. Внутри нашего кишечника она не скользит свободно, а продирается сквозь слизь — запутанную сеть из длинных молекул, похожую на моток спутанных ниток.

Когда в тонкой плёнке воды собирается множество бактерий (их клетки построены преимущественно из углерода), возникает завораживающее зрелище: миллионы микроорганизмов начинают синхронно скользить по гигантским эллиптическим траекториям, напоминая слаженный танец на паркете.

Граница между двумя жидкостями — как невидимая кожа: она есть, но потрогать её пальцем нельзя. Учёные нашли способ измерить её упругость, не прикасаясь. Они заставили крошечный зонд колебаться над поверхностью, а между зондом и границей оказалась тонкая плёнка жидкости.