Иллюстрация: Sebastian Pitikaris et al. / npj Microgravity, 2022. Немецкие физики совместно с астронавткой Самантой Кристофоретти провели исследование того, как остывает гранулированный газ в условиях, когда ему не мешает гравитация. Для этого на МКС отправили драже M&M’s, чьи блуждания в контейнере снимала камера. Исследование опубликовано в журнале npj Microgravity. Многие эксперименты, проводимые учеными на космических станциях, обусловлены долгосрочными перспективами, связанными с возможностью колонизации космоса. Мы уже рассказывали, как ученые исследуют влияние долгосрочного пребывания в космосе на качество мышиной спермы, а также выращивают на станции салат. Другой тип экспериментов использует физические условия, которые невозможно или сложно получить на Земле. В первую очередь это касается долгосрочной микрогравитации, вакуума и космического излучения.

К таким исследованиям можно отнести проверку работоспособности атомных часов на спутнике или изучение плазмо-пылевого взаимодействия. Недавно микрогравитация понадобилась физикам из Германии, чтобы исследовать остывание трехмерного гранулированного газа, а помогла им в этом астронавтка Европейского космического агентства Саманта Кристофоретти. Для этого на МКС отправили упаковку M&M’s, служивших модельными гранулами газа, а их хаотическое движение снимала камера. Данные, полученные в условии чистой и устойчивой невесомости, помогли проверить теоретические оценки, характеризующие диссипацию энергии в такой системе.

Молекулярно-кинетическая теория рассматривает газы состоящими из атомов или молекул, которые находятся в постоянном хаотическом движении и упруго взаимодействуют друг с другом. Эту теорию можно было бы применить к хаотичному движению макроскопических объектов, например, шариков, однако соударения больших тел неизбежно неупругие. Тем не менее, если применять формализм молекулярно-кинетической теории к сыпучим потокам, тогда можно сказать, что постепенная потеря кинетической энергии эквивалентна уменьшению их температуры. Расчеты также показывают, что в гранулированных газах (то есть во множестве свободно летающих гранул) может наблюдаться кластеризация частиц, чего не происходит с обычными газами.

На пути к опытной проверке теории стоит гравитация, поэтому авторы решили провести эксперимент в условиях долгосрочной невесомости. Для этого они использовали отправленное на МКС разноцветное драже M&M’s. Каждое драже представляло собой эллипсоид с короткой полуосью равной 3,5 миллиметра, длинными полуосями равными 6,75 миллиметра и массой равной 0,91 грамма. Кристофоретти помещала 96 конфет в сферический контейнер диаметром 150 миллиметров, взбалтывала его вручную до достижения видимой равномерности, после чего камера фиксировала динамику остывания газа, в роли гранул которого выступало драже.

Саманта Кристофоретти наблюдает за ходом эксперимента. Sebastian Pitikaris et al. / npj Microgravity, 2022

Поскольку вручную отслеживать скорости конфет довольно сложно, физики обрабатывали видео двумя способами. Первый подход основывался на алгоритме Лукаса — Канаде для вычисления локального оптического потока. Алгоритм вычисляет скорость на основе того, как меняются относительно друг друга два, три или более кадров видео. Во втором подходе авторы реконструировали в каждом кадре положение конфет, аппроксимируя их изображения эллипсами. Ситуацию упрощала сортировка гранул по цветам. Таким образом исследователи могли делать вывод о скорости тех конфет, чье изображение оказалось перекрыто другими: для этого они интерполировали их траекторию по данным до и после перекрытия. Второй метод также лучше учитывал вращение драже, а также в некоторых случаях позволял оценить видимую потерю кинетической энергии при столкновении.

На основе обоих методов физики восстанавливали зависимость средней скорости и температуры от времени и сравнивали ее с теорией. Обе эти величины испытывали закономерное убывание. Метод на основе алгоритма Лукаса — Канаде в целом завышал получаемые значения, причем чем меньше был интервал кадров, тем сильнее было завышение. В частности, при анализе на основе двух соседних кадров на поздних временах метод демонстрировал рост, которого не было при больших интервалах, а также при обработке с помощью восстановления траекторий. Авторы объясняют это явление частичной кластеризацией газа, из-за которого часть конфет обладают настолько малыми скоростями, что алгоритм не распознает их перемещение для слишком маленьких интервалов.

Зависимость средней скорости от времени для метода на основе алгоритма Лукаса — Канаде для двухкадрового (верхний график) и восьмикадрового (средний график) интервала, а также для метода восстановления траекторий (нижний график). Sebastian Pitikaris et al. / npj Microgravity, 2022

Физики также измерили средний коэффициент потери кинетической энергии на основе 86 соударений, которые они отбирали вручную. Используя это значение и кинетическую теорию эллипсоидов, они рассчитали время остывания, составившее 3,8 секунды, что оказалось в два раза меньше экспериментального значения. Ученые объяснили заниженные оценки тем, что их эксперимент позволял измерить только двумерные скорости плоских проекций драже, а также давал мало информации об их вращении. Будущий эксперимент, по замыслу авторов, должен будет включать в себя как минимум три камеры, а теоретические оценки должны будут учесть столкновения со стенками камеры и сопротивление воздуха.

Сладости не в первый раз становятся объектом исследования физиков. Мы уже рассказывали, как в этой роли выступали вафельные батончики и печенье Oreo.

Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!