Вторник, 25.02.2020, 05:28
Приветствую Вас, Гость
Главная » 2014 » Июль » 7 » Нейлоновые шарики моделируют движение материков
10:45
Нейлоновые шарики моделируют движение материков

Ученые из Нью-Йоркского института провели опыт, в каком изучали взаимодействие конвективных течений в воды с плавающими в ней телами. Результаты работы, размещенной в журнальчике Physical Review Letters, могут отыскать применение в теории движения литосферных плит, а именно - пророчестве движения материков на нашей планетке.Считается, что материки в наше время - это удалившиеся друг от друга на тыщи км осколки более большого геологического образования - «суперконтинента» (см. видео). Первым, кто предложил и опубликовал эту догадку, был Антонио Снидер. В 1858 году в собственной книжке «Мироздание и его разоблаченные тайны» он направил внимание на схожесть береговых линий континентов обеих Америк и Африки, также схожесть ископаемых растений палеозойской эпохи, что послужило аргументами в его теории.Предположение Снидера показалось неописуемым, и о нём скоро запамятовали. Но спустя 50 лет Альфред Вегенер не только лишь возродил эту догадку к жизни, да и подкрепил ее различными геологическими данными. На данный момент она известна как «гипотеза Вегенера», сущность которой заключается в том, что единый «суперконтинент» Пангея (заглавие было дано Вегенером) раскололся в палеозойскую эру и в текущее время осколки представляют собой дрейфующие литосферные плиты, на которых находятся материки. Оставался открытым вопрос только о том, какая сила управляет ими.В 30-40-е годы прошедшего века Артур Холмс высказал предположение, что собственной динамикой литосферные плиты должны конвективным течениям в мантии нашей планетки, образующимся вследствие разности температур центральных областей Земли и температуры на ее поверхности. Нагретое поблизости ядра вещество расширяется, а означает, и уменьшает свою плотность, что приводит к его всплытию. Всплывшие породы уступают свое место опускающимся, более прохладным, а означает, и поболее томным массам, которые уже дали часть теплоты земной коре. Описанный процесс переноса тепла происходит безпрерывно, в итоге чего и появляются упомянутые выше конвективные потоки.Эти течения замыкаются сами на себя и образуют системы, которые в физике именуются конвективными ячейками Рэлея-Бенара, при всем этом сам процесс переноса тепла получил заглавие конвекции Рэлея-Бенара (см. Rayleigh-B nard convection). В верхних частях ячеек течение вещества происходит практически в горизонтальной плоскости, что в конечном итоге и приводит к движению плит в горизонтальном направлении. Это предположение, которое на данный момент уже фактически не вызывает колебаний, и есть база современной теории тектоники плит.В текущее время насчитывается 8 больших литосферных плит, которые покрывают фактически весь земной шар, но не существует до сего времени адекватной модели, которая могла бы предсказать предстоящее их поведение.Недавняя публикация в журнальчике Physical Review Letters со сложным заглавием Self-Induced Cyclic Reorganization of Free Bodies through Thermal Convection посвящена описанию опыта, который в «домашних» критериях моделирует динамику литосферных плит. Для этого ученые заполнили емкость размером 20 - 18,4 - 7,6 см (высота - длина - ширина) консистенцией воды и глицерина (массовая концентрация глицерина 1,115 г/мл). Ко дну емкости безпрерывно и повсевременно подавалось тепло при помощи электронного нагревателя. Высшая часть емкости повсевременно охлаждалась. Таким макаром, меж дном и верхней частью емкости создавался неизменный градиент температуры. Свою экспериментальную установку ( 1) создатели окрестили конвективной ячейкой Рэлея-Бенара, потому в предстоящем, понятия «емкость» и «конвективная ячейка Рэлея-Бенара» для нас будут тождественны.Дальше, в емкость исследователи расположили огромное количество (несколько сотен) маленьких, несколько мм в поперечнике, нейлоновых шариков, плотность которых всего только на 2% выше, чем плотность воды в ячейке (число шариков и их размер в процессе опыта варьировались). Таким макаром, эти шарики создавали плотный слой на деньке емкости.Чтоб условия опыта примерно отвечали реальным процессам, происходящим в мантии Земли, нужно, конечно, чтоб появились конвективные течения воды в емкости. Условие появления конвекции в таких системах (будь это емкость, заполненная жидкостью, мантия Земли, атмосфера какой-либо планетки, звезды и т. д.) принято охарактеризовывать при помощи безразмерной величины - числа Рэлея (обозначается Ra).Число Рэлея определяется при помощи последующей формулы: ,где α - коэффициент термического расширения воды, g - ускорение свободного падения, η - вязкость (динамическая) воды, ΔT - создаваемый в ячейке градиент температур, d - соответствующий размер ячейки (применительно к данному тесту - высота емкости H), ρ - плотность воды и k - коэффициент температуропроводности.Если значение Ra превосходит некое критичное значение Raкр (критичное значение числа Рэлея равно примерно 1000 и не находится в зависимости от вида воды либо газа), то в данной системе может быть появление конвективной неустойчивости - проще говоря, слой воды либо газа теряет устойчивость, и в воды либо газе начинаются конвективные течения. Если Ra < Raкр, то процесс конвекции не наблюдается, и в воды либо газообразной среде происходит обыденный процесс теплопроводимости.К примеру, для чашечки жаркого чая число Рэлея порядка 104, для мантии Земли Ra намного больше - около 107. Закономерность обычная - чем выше число Рэлея, тем лучше происходит процесс конвекции.В опыте создателей обсуждаемой работы создавалось Ra ≈ 109. Настолько огромное значение числа Рэлея приводило к любопытному поведению шариков снутри ячейки. Ученым удалось найти, что шарики под действием возникающего конвективного течения попеременно сосредотачивались то в одной половине емкости, то в другой ( 2). 2. Взаимодействие 426 нейлоновых шариков и конвективного потока в воды с числом Рэлея Ra = 3,2·109. (a)-(d) - 4 поочередных по времени снимка ячейки Рэлея-Бенара, на которых показано перемещения шариков в границах 1-го цикла. Снимки (a)-(c) соответствуют моментам времени, когда упаковка шариков соответственно в правой и левой части емкости более уплотненная. Снимки (b)-(d) демонстрируют промежный шаг перераспределения шариков из правой части в левую (b) и напротив (d). из обсуждаемой статьи в Physical Review LettersПредпосылкой такового поведения было периодическое изменение направления конвективного движения воды - оно было то против часовой стрелки, то, напротив, по часовой. Фактически, вследствие этого и происходило перемещение нейлоновых шариков из правой части емкости в левую часть и назад. Самое любознательное, что, раз начавшись, этот процесс происходил повсевременно сколь угодно длительное время - шарики каждые 200 минут меняли свое положение (см. также видео). Принципиально отметить, что обозначенные 200 минут не есть константа, и время перехода изменялось зависимо от количества шариков и значения числа Рэлея.В чём причина такового явления? По воззрению создателей работы, периодическое изменение направления конвективного течения, а с ним и направления движения нейлоновых шариков связано с тем, что огромное количество и уплотненная упаковка шариков представляют собой типичный «теплоизолятор». Шарики препятствуют распространению тепла в той половине емкости, где они на этот момент находятся. Это вызывает рождение в свободной от шариков части емкости конвективного течения, которое потом и принуждает их двигаться. Схематическое появление конвективных течений и процесс перераспределения шариков показан на 3c. 3. Корреляция меж конвективным течением в емкости и расположением шариков. (a) - зависимость скорости перемещения шариков (см/с) от времени (мин); (b) - эволюция центра тяжести шариков; (c) - схематический набросок возникающих в емкости конвективных течений, поясняющий причину повторяющегося движения шариков. Белоснежные полосы на графиках (a) и (b) отвечают направлению движения конвективного течения по часовой стрелке, сероватые - против часовой стрелки. Число шариков в опыте 510, Ra = 1,8·109.· из обсуждаемой статьи в Physical Review LettersПо воззрению ученых, данный опыт может посодействовать прояснить природу появления более глобальных конвективных течений в мантии Земли и их взаимодействие с материками. Казалось бы, огромное число шариков даже по порядку величины не соответствует количеству литосферных плит (сравните количество объектов - несколько сот шариков в опыте и 8 литосферных плит). Но эти 8 «глыб» можно представить как конструкцию из более маленьких «микроплит», в конечном итоге образующих «материнскую» плиту, и именно тогда уже лабораторное моделирование движения материков имеет смысл.Более того, периодичность в движении нейлоновых шариков показывает на то, что «суперконтиненты», подобные Пангее, могут образоваться опять - нынешнее разбегание материков может смениться в дальнейшем сближением и образованием нового «суперконтинента». Осталось узнать, каковой период этого повторяющегося процесса.


Интересная игра для офиса: Убей босса 2
Просмотров: 186 | Добавил: admin | Рейтинг: 0.0/0