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Stochastische Geometrie der Turbulenz Gregory Falkovich Weizmann Institut November 2014 D. Bernard, G. Boffetta, A. Celani, S. Musacchio, K. Turitsyn, M. Vucelja. Präsentation zum Thema: Stochastische Geometrie der Turbulenz Gregory Falkovich Weizmann Institut November 2014 D. Bernard, G. Boffetta, A. Celani, S. Musacchio, K. Turitsyn, M. Vucelja. Präsentationstranskript: 1 Stochastische Geometrie der Turbulenz Gregory Falkovich Weizmann Institut November 2014 D. Bernard, G. Boffetta, A. Celani, S. Musacchio, K. Turitsyn, M. Vucelja 2 Fraktale, Multi-Fraktale und Gott weiß, worauf es ankommt Q noch auf r - Fraktal hängt von q Multifractal hängt von r - Gott weiß, was 3 Turbulence ist ein Zustand eines physischen Systems mit vielen Freiheitsgraden weigerte sich weit vom Gleichgewicht. Es ist unregelmäßig sowohl in der Zeit als auch im Raum. Energiekaskade und Kolmogorov-Skalierung Transparenter Skalar (Lagrange-Invariante) 4 Vollständiger Satz ist fraktal mit D 2 - Random-Gauss-Flächen Was ist mit einem einzelnen Isolin 12 Familie von Transport-Gleichungen m2 Navier-Stokes m1 Oberflächen-quasi-geostrophes Modell, m-2 Charney-Hasegawa-Mima Modell Elektrostatische Analogie: Coulomb-Gesetz in d4-m Dimensionen 13 Dieses System beschreibt Geodäten auf einer unendlich-dimensionalen Riemannschen Mannigfaltigkeit der flächenerhaltenden diffeomorfismen. Auf einem Torus, 19 Perimeter P Grenzgrenze Grenzpunkte Grenzlinie Grenzpunkte Schnittpunkte Bernard, Boffetta, Celani GF, Naturphysik 2006, PRL2007 24 Skalare Exponenten des Skalarfeldes (Kreise) und Stromfunktion (Dreiecke) und Universitätsklasse für verschiedene m 27 M Vucelja, G Falkovich KS Turitsyn Fraktale Iso-Konturen von passivem Skalar in zweidimensionalen Zufallsströmen. J Stat Phys 147. 424435 (2012) 36 Innerhalb der experimentellen Genauigkeit sind Isolinien von advezierten Mengen konform invariant (SLE) in turbulenten inversen Kaskaden. Warum Vorticity-Isolinien in der direkten Kaskade sind multifractal. Isolate von passivem Skalar im Batchelor-Regime ändern sich weiterhin auf einer Zeitskala, die die Sättigungszeit des Massenskalarfeldes beträchtlich übersteigt. Warum ConclusionScientists zeigen Stokes Drift-Prinzip 1. Oktober 2014 In der Natur, beginnen Wellen wie die im Ozean als lokale Schwingungen im Wasser, die sich ausbreiten, Kräuselung Mode, von ihrer Herkunft. Aber Fans von Star Trek erinnern sich an eine andere Art von Wellenmuster: der Traktor Strahl. Traktorstrahltechnologie, wenn sie existieren würde, würde auf Wellen basieren, die in die entgegengesetzte Richtung gehen, konvergentieren von heraus im Raum auf den Punkt des Ursprungs. In der Show würde das Raumschiff Enterprise einen Traktorstrahl aussenden, wie ein Cowboy-Lasso, um sich auf einen im Raum schwebenden Gegenstand zu verriegeln und ihn zum Schiff zurückzuziehen. Prof. Gregory Falkovich vom Institut für Physik des Weizmann Institutes für Komplexe Systeme, der mit der Forschungsgruppe von Prof. Michael Shats von der National University of Australia, Canberra zusammenarbeitete, zeigte jüngst, dass die Idee nicht alle Science Fiction sein kann. Ihre Ergebnisse wurden in Nature Physics veröffentlicht. In der Tat ist das grundlegende Konzept verwurzelt in der Forschung eines englischen Physikers und Mathematikers des 19. Jahrhunderts, George Stokes, der die Physik der Wellen im Detail untersuchte. Um dies zu tun, legte er kleine Kugeln in Flüssigkeit und beobachtete ihre Bewegung in den flüssigen Wellen. Zu der Zeit hielt die vorherrschende Theorie, daß, wenn eine Welle sehr klein war, eine kleine Kugel, die sie reitet, sich innerhalb eines geschlossenen Kreises bewegen würde. Stokes entdeckte, dass der Sphärenpfad nicht ganz ein geschlossener Kreis wäre. Stattdessen würde es eine nach innen fließende Spirale verfolgen. Diese Idee, die als Stokes Drift bekannt wurde, wurde als meist theoretisch angenommen. Man könnte in der Lage sein, die Bedingungen in einem Labor zu schaffen, aber es wäre schwer in der Natur, Wellen zu finden, die klein genug sind, um Stokes Drift zu zeigen. Prof. Falkovichs Mitarbeiter, unterstützt von Beobachtungstechnologien des 21. Jahrhunderts, kehrten zu Stokess-Experimenten zurück, um die Teilchen zu beobachten, die sich in sehr kleinen Lichtwellen bewegen. Sie entdeckten zu ihrer Überraschung, dass eine 3-D-Darstellung des Partikelwegs so etwas wie ein betrunkener Mann ist, der seinen Weg nach Hause macht. Aber in ihrer Zusammenarbeit haben die Forscher gezeigt, dass nicht nur diese Bewegung nicht zufällig, es ist vorhersehbar und kann sogar vor der Zeit geplant werden. Mit Hilfe dieser Einsicht demonstrierten die Wissenschaftler das Prinzip mit zwei kontrollierten Fluidwirbeln. Zwischen ihnen floss eine Welle zurück zu dem Punkt, an dem die Schwingungen, die sie verursacht, entstanden. Einige der Wissenschaftler in der Gruppe sehen bereits die Schaffung von Traktorstrahlen in Wasser vor, die beispielsweise auf Piratenschiffe im Indischen Ozean verankern und eindringen können. Geringere Ideen (wenn auch in Zukunft) beinhalten die Verwendung dieser Wellen Um Verschmutzung im Ozean aufzuräumen. Mehr Informationen: Erzeugung und Umkehr der Oberflächenströme durch Ausbreitung von Wellen. Horst Punzmann, Nicolas Francois, Hua Xia, Gregory Falkovich Michael Shats. Naturphysik 10, 658663 (2014) DOI: 10.1038 / nphys3041 Bereitgestellt von: Weizmann Institut für Naturwissenschaften Erforschen Sie weiter Physiker machen Wassertraktorenstrahl Physiker an der Australischen Nationaluniversität (ANU) haben einen Traktorstrahl auf dem Wasser geschaffen und stellen eine radikale neue Technik zur Verfügung, die Könnten Ölverschmutzungen beschränken, schwimmende Gegenstände manipulieren oder Rippen am Strand erklären. Forscher bauen akustischen Traktor-Balken Ein Team von Forschern mit Mitgliedern aus den Vereinigten Staaten Schottland und den USA hat einen funktionierenden akustischen Traktor Strahl in einem Labone, die in der Lage, Objekte von Zentimeter Größe zu ziehen gebaut. In ihrer Veröffentlichung veröffentlicht. Untersuchungen in der Laserphysik helfen, Schurkenwellen zu verstehen (Phys. org) Universität von Auckland Physiker Dr. Miro Erkintalo ist Teil eines internationalen Teams, das untersucht, wie Laser und optische Fasern verwendet werden können, um freakish große Wellen auf dem Ozean zu verstehen. Photonics: Beam me up Traktor Lichtstrahlen, die Gegenstände zu ihnen ziehen, sind keine Science-Fiction mehr. Haifeng Wang am ASTAR Data Storage Institute und Mitarbeiter haben nun gezeigt, wie ein Traktorstrahl in der Tat auf einem realisiert werden kann. Physiker erstellen Traktor Strahl für mikroskopische Partikel (Phys. org) New York University Physiker haben einen Traktor Strahl in der Lage zu ziehen Partikel Mikrometer in der Größe erstellt. Diese so genannte optische Förderband Traktor Strahl, berichtet in der Zeitschrift Physical Review Letters, hat. (Phys. org) David Ruffner und David Grier von der New York University haben eine Technik für die Verwendung von Bessel-Strahlen entwickelt, um ein Teilchen zu einer Quelle zu ziehen. In ihrer Veröffentlichung in Physical Review Letters sie beschreiben, wie. Schriftgröße Thema auswählen Wechseln zu FreigebenFocus: Wie Regentropfen Form Wirbelnde Winde in Wolken kann einer der Schlüssel zur schnellen Bildung von Regentropfen sein. Regentropfen halten fallin. Wirbelnde Winde in Wolken kann einer der Schlüssel zur schnellen Bildung von Regentropfen sein. Regentropfen halten fallin. Wirbelnde Winde in Wolken kann einer der Schlüssel zur schnellen Bildung von Regentropfen sein. Credit: 215 Obwohl der TV-Wettergänger sagen kann, wo Regentropfen fallen könnten, haben Forscher immer noch Schwierigkeiten zu erklären, warum sie sich bilden. Ein Papier in der 26. März PRL beleuchtet dieses trübe Thema, indem es zeigt, dass Windturbulenzen eine entscheidende Rolle spielen können. Im Inneren der Wolken winzigen Wirbel, die durch den Wind Spin Wasser-Natronstaub Partikel in Cluster, wo sie verschmelzen, um Regentropfen bilden, sagen die Autoren. Diese Entdeckung kann schließlich helfen Meteorologen prognostizieren Stürme mit besserer Genauigkeit. Regentropfen entstehen, wenn Wasserdampf auf Mikrometer-Größe Staubpartikel in der Atmosphäre kondensiert. Die Staubteilchen wachsen zu millimetergroßen Tröpfchen, die schwer genug sind, um zu fallen. Als sie fallen, akkumulieren die Tröpfchen mehr und mehr Feuchtigkeit, bis sie die großen Regentropfen werden, die wir hier auf dem Boden sehen. Theoretiker und Experimentatoren verstehen diese Progression, aber sie können nicht zustimmen, wie lange es dauert. Wenn Sie die typische Zeit abschätzen, die Sie von Mikron - bis Millimeter-Tröpfchen benötigen, würde es vielleicht zehn oder fünfzehn Stunden dauern, sagt Gregory Falkovich vom Weizmann-Institut für Wissenschaft in Israel. Und empirisch Leute bemerkten, dass oft regen beginnt lange vor diesem in einer halben Stunde. Theoretiker haben für fast vierzig Jahre vermutet, dass Wind ein Katalysator war, der den Regentropfen Form schneller hilft. Der Wind, so glaubte man, erhöhte die relativen Geschwindigkeiten der mikrometergroßen Tröpfchen und ließ sie zusammenstoßen und zusammenstecken, bis sie groß genug wurden, um zu fallen. Aber auch nachdem die Theoretiker Windgeschwindigkeiten in ihren Modellen enthielten, konnten sie ihre Vorhersagen nicht mit Beobachtungen vergleichen. Jetzt glauben Falkovich und seine Kollegen, dass sie einen Schlüsselfaktor für die Regentropfenbildung gefunden haben könnten: Windturbulenzen. Das Innere einer Wolke ist voll von Turbulenzen, die viele wirbelnde Luftwirbel erzeugen. Diese kleinen Wirbel fungieren nach Falkowitsch als Zentrifugen, indem sie die mikrometergroßen Partikel bis an die Ränder spinnen, wo sie zusammenhängen. In diesen dichten Clustern, sagt er, gibt es eine viel höhere Wahrscheinlichkeit für sie zu kollidieren und größere Tropfen zu erzeugen. Laut den Teams neue Berechnungen, scheinen diese Cluster etwa ein Millimeter in Größe nur die Größe für Regentropfen zu fallen beginnen zu sein scheinen. Dieses Papier ist eine Reflexion einer langen Reihe von Arbeiten über die Bewegung von Partikeln in Strömen, sagt Leo Kadanoff von der University of Chicago. Kadanoff sagt, dass in den letzten fünf Jahren anspruchsvolle analytische Modelle wie diese entwickelt worden sind, aber dieses Papier ist einer der ersten Versuche, sie anzuwenden. Es ist ein gutes Stück Arbeit, sagt Kadanoff. Sie weist den richtigen Weg in die Zukunft. Falkovich glaubt, dass das Modell für andere Systeme, wie Brennstoff-Sprays in Verbrennungsmotoren und Schadstoff-Konzentrationen in der Atmosphäre gelten kann, aber seine wahre Hoffnung ist für das Wetter. Letztlich, sagt er, würde ich gerne Meteorologen eine einfache Formel, die sagt, wenn Wind ist von einer gewissen Größe, dann Regen wird in vierzig Minuten kommen, aber das ist immer noch ein Traum. E. Balkovsky, G. Falkovich und A. Fouxon Phys. Rev. Lett. 86. 2790 (2001) Veröffentlicht 26. März 2001