Prva simulacija haotične propagacije zvučnog talasa potvrđuje teoriju akustične turbulencije

Istraživači su prvi put upotrebili paralelnu obradu na grafičnim karticama radi simulacije akustične turbulencije. Ova vrsta simulacije, koja je ranije zahtevala superkompjuter, sad se može izvesti na standardnom personalnom računaru.

Otkriće će učiniti modele vremenske prognoze tačnijima, omogućavajući upotrebu teorije turbulencije u različitim oblastima fizike, kao što je astrofizika, u cilju kalkulacije putanja i brzina širenja zvučnih talasa u univerzumu.

Preporučujemo

Turbulencija je složeno haotično ponašanje fluida, gasova ili nelineranih talasa u različitim fizičkim sistemima. Na primer, turbulencija na površini okeana može biti uzrokovana vetrom ili strujama usled vetra, dok se turbulencija laserskog zračenja u optici dešava pošto sočiva rasejavaju svetlost. Turbulencija se takođe može desiti u zvučnim talasima koji se haotično šire u određenim sredinama, kao što je superfluidni helijum.

Sovjetski naučnici su u 1970-im sugerisali da se turbulencija dešava kad zvučni talasi odstupe od ekvilibrijuma i dostignu velike amplitude. Ta teorija talasne turbulencije primenjuje se na mnoge druge talasne sisteme, uključujući magnetohidrodinamičke talase u jonosferama zvezda i džinovskih planeta, a možda čak i gravitacione talase u ranom univerzumu.

Međutim, donedavno je bilo skoro nemoguće predvideti obrasce propagacije nelinearnih (haotičnih) akustičnih ili drugih talasa zbog visokog nivoa računarske složenosti.

Istraživači iz Skolteha (Skolkovskog instituta za nauku i tehnolofiju), Instituta za elektrofiziku Uralskog odeljenja Ruske akademije nauka i Institita za fiziku „Lebedev“ prvi su pronašli numeričko rešenje jednačine koja opisuje širenje zvučnih talasa u turbulenciji, potvrđujući teoriju sovjetskih naučnika.

Pronašli su rešenja za nekoliko delova jednačine koja matematički opisuje širenje zvučnih talasa koristeći pararelno računanje na četiri grafička procesora instalirana u istom kompjuteru.

Umesto upotrebe ogromne i vrlo skupe grupe kompjutera, tj. superkompjutera, koja bi mogla dati približan odgovor, simulacija je izvedena i dobijeno je tačno numeričko rešenje pomoću malog personalnog kompjutera.

Radi verifikacije, istraživači su simulirali propagaciju zvučnih talasa u nelinearnoj sredini sličnoj superfluidnom helijumu na oko -270 stepeni Celzijusovih. U takvim uslovima, helijum postaje superprovodni kvantni superfluid koji se može koristiti u superprovodnicima – bitan elemenat kvantnih kompjutera, maglev vozova (u Kini i Japanu) i mnogih drugih visokotehnoloških uređaja. Superfluidni helijum se takođe koristi u nuklearnoj energetskoj industriji.

Teorija turbulencije potvrđena za zvučne talase je značajno otkriće slično periodnom sistemu – teorija talasne turbulencije predstavlja sisitem, a svaki tip turbulencije (akustična, gracitaciona, magnetohidrodinamička) poseban elemenat čija svojstva su potpuno opisana pozicijom u sistemu i tačno predviđena teorijom.

Teorija turbulencije se može primeniti na bilo koji talasni sistem, poput talasa okeana. Numeričko rešenje ovih jednačina je uključeno u globalnu vremensku prognozu i modele klimatskih promena, čineći vremenske prognoze tačnijim.

„Rasvetljavanje prirode turbulencije predstavlja jedno od najvažnijih otvorenih pitanja moderne fizike. Prognoza vremena je postala tačnija zahvaljujući razvoju teorije turbulencije. Planiramo da izučavamo druge talasne sisteme, kao što su okeanski talasi velikih amplituda“, kažu istraživači.

„Iznenađujuće, zvučni talasi i okeanski talasi imaju mnogo toga zajedničkog. Na primer, lomljenje okeanskih talasa velike amplitude slično je formiranju talasa zvučnog udara. Pucanje talasa proizvodi veliku gustinu energije ili pritiska. Postoji hipoteza da je turbulencija izazvana takvim kolapsima različite prirode“.

(Telegraf Nauka/Phys.org)