Физики получили спонтанно формирующуюся антиспираль

Ученые обратили внимание, что при вытекании жидкости из круглого резервуара с небольшими дырками, в дне формируются особые спиралевидные потоки. Их отличительной чертой является то, что рукава при вращении приближаются к центру, а не отдаляются от него, как происходит в обычной спирали. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.

В природе часто встречаются спирали. Примерами могут быть атмосферные циклоны или галактики. В абсолютном большинстве случаев движение спирального узора сонаправлено с вращением вещества, однако с точки зрения физики существует и обратный вариант. В таком случае спиральные рукава движутся к центру вращения. Эту ситуацию называют антиспиралью. Ученые уже наблюдали антиспирали в химических системах, где протекают автокаталитические реакции Белоусова—Жаботинского, но подобные примеры весьма редки.

В новой работе сотрудников Университета Лазурного Берега (Франция) и Университета Хоккайдо (Япония) описывается спонтанное формирование антиспиралей в системе вытекающей жидкости. Их установка состоит из цилиндрического резервуара, дно которого покрыто крохотными дырками. В сосуд налито силиконовое масло, которое под действием гравитации постепенно вытекает с постоянной скоростью, формируя горизонтальную пленку под дном. Когда пленка становится толще критического значения, то в ней начинают возникать неустойчивости, из-за чего от нее отрываются капли или формируются ниспадающие потоки в виде колонн или сплошных поверхностей. Авторы описывают эксперименты, в которых формируются потоки в форме спиралей. Возникающие узоры содержат от одного до шести рукавов, которые при вращении всегда приближались к центру.

Формирование спиралей подробно изучено в колебательных средах или системах с различными уровнями возбуждения, в которых естественным образом возникают волны или другие виды периодических изменений. Новая работа показывает пример лишенной колебаний среды, в которой, тем не менее, появляются спирали. Авторы объясняют это периодичностью стекания жидкости, которая диктуется неустойчивостью Рэлея—Тейлора в пленке. Подобные процессы индуцированного появления спиралей могут быть интересны в контексте биологических систем, где такие узоры могут появляться из-за взаимодействия с окружением.