Движение внутри и снаружи
Мы помним картинку из школьного учебника — лодка на воде, мальчик идёт по лодке, а лодка под ним из-за закона сохранения импульса перемещается в обратную сторону. Если бы не было взаимодействия с водой, то центр тяжести оставался бы на месте, а если бы мальчик вернулся в исходное положение, то и лодка вернулась бы туда же. При наличии сопротивления среды ситуация в корне меняется. Задача о поступательном перемещении тела, внутри которого движется другой объект, интересна во многих случаях, например, если мы хотим сделать робота для действий внутри нефтепровода, внутри человека (доставка лекарств, диагностика) и, между прочим, для исследования поверхности Венеры и вообще в космосе.
В Институте проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН построена аналитическая модель движения в жидкости тела с периодически перемещающейся внутри него массой. В ней учтена несимметричность формы внешнего объекта, которая приводит к различию коэффициентов сопротивления среды для движения вперёд и назад. Это и делает возможным постоянное поступательное движение системы. Принципиально важна при решении данной задачи квадратичная зависимость силы сопротивления от скорости. Проведена оптимизация, то есть определены параметры, позволяющие получить максимальную среднюю скорость перемещения всей системы. Учтено ограничение на скорость перемещения внутреннего тела.
Черноусько Ф. Л. Оптимизация движения тела с внутренней массой при квадратичном сопротивлении. Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки. 2023, т. 513, № 1, с. 81.
Вода с графеном добавляет КПД
Один из способов использования солнечного излучения — нагрев поглощающей поверхности и съём с неё тепла жидким теплоносителем. КПД подобных систем увеличивается, если уменьшать разность температур между поглощающей поверхностью и теплоносителем. Радикальное решение — поглощать излучение непосредственно теплоносителем, это увеличивает КПД на 5—10%. В качестве поглощающей жидкости можно применять взвеси частиц, в частности графена, в воде. Достоинства графена — высокое поглощение света, высокая теплопроводность, низкая плотность; недостаток — гидрофобность, поэтому в среду приходится вводить поверхностно-активные вещества. Другое решение — применение оксида графена: он гидрофилен, потому что на его поверхности много кислородсодержащих групп. Однако стабильны ли свойства графенсодержащей жидкости в течение длительной эксплуатации? Ведь при применении в тепловых трубах и термосифонах теплоноситель претерпевает кипячение, испарение и конденсацию.
Исследователи из Мэрилендского университета и корпорации Advanced Cooling Technologies (США) изучили взвесь от 0,01 до 0,05% частиц графена в воде. При центрифугировании с ускорением 630 g и температуре 90°C коэффициент поглощения излучения был практически стабилен. При кипячении и конденсации он уменьшался с 38 до 4% в течение первых 24 часов и далее в течение 120 часов не изменялся. Эксперименты показали, что на этапе изменения частицы графена теряли часть гидроксильных и карбоксильных групп. Это явление следует учитывать при применении в соответствующих условиях, и необходимо исследовать стабильность в течение большего времени.
J. Zhou et al. Исследование стабильности водных наножидкостей на основе оксида графена для поглощения солнечной энергии. Теплофизика высоких температур, 2023, № 4, с. 530.
Вселенная и потоки
Наблюдаемые нами во Вселенной объекты созданы в основном гравитацией. А вот процессы разрушения объектов разнообразны — это фотоиспарение ядер комет, столкновение астероидов, расширение зон ионизованного водорода, взрывы сверхновых звёзд, эволюция систем гравитирующих тел, столкновения галактик и их приливное взаимодействие, слияние чёрных дыр в центрах галактик. Из-за действия закона сохранения углового момента разрушение астрономических объектов приводит к появлению потоков продуктов их распада: метеорных, астероидных, планетных, газовых и звёздных. Грубо говоря, то, что получилось при разрушении, «продолжает лететь». Обнаружить такие потоки сложно, потому что их плотность бывает невелика. И поэтому важно знать свойства этих потоков, чтобы искать их на небе или выделять из уже имеющихся данных. И потом, на основании этих данных, восстанавливать события, которые были причиной возникновения потока.
Тутуков А. В., Верещагин С. В. Разрушение астрономических систем: теория и наблюдения. УФН, 2023, № 9, с. 913.
Сотрудники Института астрономии РАН рассмотрели накопленные данные по таким потокам и обнаружили ряд особенностей, объединяющих эти потоки, например связь времени образования потока с его размерами — шириной и длиной. Знание этих особенностей вместе с введением в строй новых телескопов позволит лучше выделять потоки, определять их источники и тем самым восстанавливать историю Вселенной. Авторы рассматривают распад галактик и звёздных скоплений, а также образование и эволюцию облака Оорта в Солнечной системе. Планеты-гиганты, прежде всего Юпитер, сначала способствовали его возникновению, а теперь понемногу его разрушают, извлекая из него куски и отправляя их к Солнцу; такие астероиды массово обнаружены. Также авторы рассматривают образование потоков в результате разрушения комет, показывают, как образуются пылевые потоки вдоль орбит комет и чем определяется длительность метеорных потоков, наблюдаемых на Земле.
Разрушение галактик — это, конечно, безобразие, но что касается облака Оорта и комет, то здесь просматривается возможная связь с доставкой на изначальную Землю воды и с возникновением на ней жизни.
Тутуков А. В., Верещагин С. В. Разрушение астрономических систем: теория и наблюдения. УФН, 2023, № 9, с. 913.
