наука

Физики решили «проблему Фейнмана» об инвертированном разбрызгивателе. Ответ очевидный, а вот объяснение — нет

В какую сторону будет вращаться обычный садовый опрыскиватель, если поток жидкости в нем обернуть вспять? Ответ на этот вопрос выглядит абсолютно очевидным. И он всегда разный в зависимости от степени понимания отвечающим физики протекающих процессов. Поэтому неудивительно, что загадка об инвертированном разбрызгивателе занимала лучшие умы человечества многие десятилетия. К счастью, американские ученые наконец-то теоретически и экспериментально обосновали по-настоящему правильное ее решение.

Разбрызгиватель, работающий в инвертированном режиме (вода движется к центру устройства через трубки-сопла внутрь). Хорошо видны формирующиеся внутри него вихри разного размера и направления

Для начала стоит упомянуть, что проблема инвертированного разбрызгивателя — наглядная иллюстрация закона Стиглера: Ричард Фейнман лишь популяризовал загадку, но сформулировал ее далеко не первым. Наиболее раннее упоминание этого теоретического вопроса встречается в труде The Science of Mechanics (1883 год) небезызвестного Эрнста Маха, именем которого названо число Маха. Экспериментальные попытки определить, в какую сторону будет вращаться инвертированный разбрызгиватель, стали предпринимать примерно с 1940-х годов.

Имя Фейнмана с этой задачей связано следующим образом. Во-первых, когда он услышал обсуждение проблемы инвертированного разбрызгивателя (как раз в 1940-е) коллегами-аспирантами, предложил провести эксперимент. И не где-нибудь, а в помещении циклотрона Принстонского университета. Опыт закончился феерично: задействованный в процессе стеклянный бак разорвало от избыточного давления. Результат оказался спорным, разбрызгиватель сначала немного дернулся вокруг своей оси, а затем замер и больше не двигался. Хотя вода через него продолжила проходить.

Во-вторых, именно Фейнман познакомил широкую публику с проблемой инвертированного разбрызгивателя. Она упоминается в его автобиографической книге «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман» (1985 год). Хотя в среде популяризаторов науки и ученых эта задача и ранее ассоциировалась с его фамилией, чем гениальный физик явно не был доволен. Он справедливо указывал, что лавры первооткрывателя принадлежат не ему, а Маху.

60-дюймовый циклотрон в Лаборатории радиации им. Лоуренса Калифорнийского университета в Беркли

Упрощенно суть проблемы заключается в следующем. Полностью погрузим садовый S-образный вращающийся разбрызгиватель в большую емкость и попробуем откачать через него воду. В какую сторону будет вращаться разбрызгиватель и будет ли он это делать вообще? Возможных решений три:

1 - Он будет вращаться в сторону, противоположную «обычному» режиму разбрызгивания: вода же всасывается, следовательно, на срезе сопел возникает разрежение. Это объяснение наименее полное с точки зрения физики, но интуитивно кажется самым логичным.

2 - Он будет вращаться в ту же сторону, что и «обычный» разбрызгиватель: увлекаемая в него вода передает часть крутящего момента на изгибающееся сопло. Этот вариант требует как можно меньшего трения во всех вращающихся деталях разбрызгивателя.

Разбрызгиватель, работающий в режиме обычного опрыскивателя (вода движется от центра устройства через трубки-сопла наружу)

На протяжении последнего полувека различные исследователи проводили эксперименты, чтобы определить, какой из этих вариантов соответствует действительности. Но результаты были всегда неоднозначные. Даже в тех случаях, когда трение движущихся частей разбрызгивателя удавалось снизить практически полностью, он либо стоял на месте, либо едва заметно вращался в противоположную сторону. Полноценного ответа найти не получалось.

За решение эпохальной задачи взялась лаборатория прикладной математики Курантовского института математических наук (NYU Courant: Institute) — независимого подразделения Нью-Йоркского университета. В ней уже не раз отвечали на животрепещущие вопросы «жизни, Вселенной и вообще»: в 2018 году нашли рецепт идеальных мыльных пузырей, в 2021-м объяснили формирование загадочных каменных лесов, а в 2022-м изучили нюансы аэродинамики планеров с тончайшими крыльями (что позволяет делать самые эффективные бумажные самолетики). Новая научная работа плодотворной исследовательской организации опубликована в рецензируемом журнале Physical Review Letters.

Чтобы во всех деталях изучить происходящее с инвертированным разбрызгивателем, ученым пришлось попотеть. Сначала они создали наиболее полную модель устройства, провели все необходимые вычисления и рассчитали разные варианты развития событий в эксперименте. Для опыта исследователи собрали такую установку, в которой не только минимизировано трение, но и устранены возможные возмущения от потоков жидкости вокруг самого разбрызгивателя.

Во время эксперимента использовали не обычную воду — в нее добавили отражающие микрочастицы, которые ярко светились в лучах подсвечивающего лазера. Так получилось наглядно увидеть поток жидкости и все возникающие в нем турбулентности. Результатом экспериментов и моделирования стала удивительная картина: инвертированный разбрызгиватель действительно будет крутиться в сторону, противоположную «обычному» режиму работы. Только в 50 раз медленнее. Самое удивительное, что обнаружили исследователи: механизм этого вращения полностью идентичен таковому у «правильного», не инвертированного разбрызгивателя. И его секрет кроется в том, что происходит внутри устройства.

Схема эксперимента: (a) — разбрызгиватель в разрезе (он способен работать и в обычном и в инвертированном режиме); (b) — чертеж всей установки; (c) — иллюстрация, показывающая метод визуализации турбулентных потоков (в плоскости трубок-сопел работает «лазерная завеса», которая подсвечивает отражающие микрочастицы, двигающиеся вместе с водой)

Дело в том, что при всасывании воды, трубки-сопла тоже формируют струи, только не снаружи разбрызгивателя, а внутри. Даже если они расположены строго на противоположных сторонах кольца и оси их параллельны, получившиеся струи не обязательно столкнутся в центре. Ведь сопла изгибаются, меняют направление движения воды, а она, в свою очередь, получает от этого дополнительный импульс. И когда покидает трубку, часть этого импульса заставляет поток отклоняться от прямолинейной траектории.

В результате внутри разбрызгивателя возникает несколько вихрей, вращающихся в противоположные стороны. Но их размер, а вместе с тем скорость и объем вовлеченной воды, не одинаковый. Это приводит к неравномерному распределению момента силы в разных направлениях. И устройство вращается.

Вывод исследования можно кратко сформулировать так: будет ли фейнмановский разбрызгиватель вращаться и если да, то в какую сторону, — в первую очередь зависит от внутренней геометрии этого разбрызгивателя. В общем случае он будет едва заметно вращаться в обратную сторону, но если трение в его деталях велико, то это движение зафиксировать трудно.

Статья спизжена отсюда

Пять странных фактов. Часть XXXIII

Обязательный Disclaimer: Я обычно пишу большие лонгриды на всякую странную тематику, но в процессах поисков натыкаюсь на кучу мелких историй, растянуть которые в полноценную статью не позволяет даже моя графомания. Поэтому — небольшую подборку странных штук из мира вокруг. Они не особо подвергались проверкам с моей стороны — искать доказательства и подтверждения всего этого времени просто не было. Можно возражать, исправлять и гнобить, кто вам запретит, да?

Картинка в заголовке статьи служит для привлечения внимания. Так нейросетка представляет этот выпуск, после скармливания всех ключевых слов из статьи. Ищите пасхалки сами.

Итак, работа в науке.
Фантазии: Ты раскрываешь геномы неизведанных существ, ищешь лекарства от болезней.
Реальность: Пукаешь на чашку Петри.

Где-то в 2000 году на научно-популярное шоу позвонила медсестра и задала ведущему вопрос: «Иногда я ассистировала во время операций в стерильной среде и при этом пукала. Нарушают ли подобные поступки чистоту в зале или нет?» И учёные взялись это выяснять, так как ответа на этот вопрос у них не было. Был проведён эксперимент. С расстояния в 5 сантиметров были произведены несколько залпов в чашки Петри (вот сейчас, визуализировали это, просто ради прикола). Часть была выполнена в одежде, другие эксперименты проводились со спущенными штанами.

Результат: газы прошедшие через ткань никакой реакции не выдали. В чашках Петри, куда попали пуки (где-то начал смеяться мой сын) без одёжного фильтра — образовались колонии бактерий, которые встречаются в кишечнике и на коже (видимо, сорванные с ягодиц потоком газов). Но даже эти бактерии не были вредоносными. Как описали сами микробиологи — это были что-то вроде тех микроорганизмов, что содержаться в йогуртах.

Короче, не пукайте без штанов возле еды. А если это и случится, ничего страшного не произойдёт. При худшем развитии событий у вас будет йогурт.


--- Мудрость и предприимчивость ---

В интернете начали продавать пульты управления тараканами. Набор (https://backyardbrains.com/products/roboroach) крепится к насекомому и начинает воздействовать на его нервы, превращая в его управляемого киборга. 

Tickling the dragons tail!!!!

Биологи выяснили, как тихоходки выживают в экстремальных условиях

Долгое время для исследователей оставалось загадкой, как именно тихоходки запускают анабиоз, при котором их тело высыхает и выглядит словно безжизненный шар. В таком состоянии эти животные могут переносить холод, голод, засуху на протяжении нескольких лет. К ответу на вопрос приблизились американские биологи.

ссылка на гифку

Тихоходка под микроскопом

Тихоходки (Tardigrada) — восьминогие микроскопические беспозвоночные, которых еще называют «маленькими водяными медведями» из-за их ног, отдаленно напоминающих лапы медведя. Тихоходок по праву можно назвать самыми живучими существами на земле: считается, что они способны пережить любой апокалипсис.

Эти животные десятилетиями могут находиться под водой, выдерживать температуры ниже минус 200 градусов Цельсия и на протяжении нескольких лет жить в жидком кислороде при минус 193 градусах. Также тихоходка годами способна существовать без еды, воды и кислорода, вполне комфортно чувствует себя в открытом космосе и хорошо переносит воздействие радиации.

В экстремальных условиях у тихоходок повышается уровень стресса, и они переходят в состояние анабиоза, при котором втягивают свои конечности, резко сокращают запасы воды. Тело высыхает и выглядит как безжизненный шар (или тун — так называют шарообразную форму тихоходок в анабиозе). Во время глубокой спячки метаболизм тихоходок замедляется до 0,01 процента от его нормальной скорости. Такое состояния значительно повышает шансы на выживание.

Тихоходка в анабиозе

Пока тихоходки находятся в анабиозе, их легко переносят ветер и вода. Когда животные попадают в благоприятные условия, уровень стресса возвращается к норме, и они «оживают». Важно отметить, что эти существа не процветают в экстремальных условиях, а просто их переживают.

Ученые давно пытаются понять, какие именно механизмы отвечают за состояние «туна», то есть за превращение тела тихоходок в «безжизненный шар». К ответу приблизилась группа американских исследователей из Университета Маршалла и Университета Северной Каролины в Чапел-Хилле. Результаты работы опубликованы в журнале PLoS One.

Чтобы вызвать у тихоходок «тун», биологи подвергли животных воздействию высоких концентраций перекиси водорода, сахара и соли при температуре минус 80 градусов. В эксперименте использовали вид тихоходок Hypsibius exemplaris, который выращивали в лаборатории в одно- и двухлитровых колбах на протяжении нескольких недель. Затем их переносили в чашки Петри, где испытывали и изучали с помощью микроскопов и масс-спектрометрии, позволяющей исследовать и анализировать вещества.

Ученые обнаружили, что когда у тихоходок повышался уровень стресса, они вырабатывали высокореактивные молекулы — внутриклеточные активные формы кислорода (свободные радикалы). Затем эти свободные радикалы вступали в реакцию с другими молекулами и окисляли аминокислоту под названием цистеин — важный компонент многих белков и ферментов. Такие реакции заставляли белки менять свою структуру и функции, «оповещая» организм о наступлении анабиоза.

Также тихоходка, снимок сделан с помощью растрового электронного микроскопа

Когда же исследователи подавляли высвобождение высокореактивных молекул с помощью антиоксидантов, то есть не допускали окисления цистеина, тихоходки не могли больше испытывать стресс, а значит, и перейти в состояние «туна».

«У тихоходок цистеин работает как своего рода регулирующий датчик. Он позволяет этим животным чувствовать окружающую среду и реагировать на стресс», — пояснила Лесли Хикс (Leslie Hicks), участвовавшая в исследовании.

Авторы научной работы отметили, что их открытие хотя полностью и не раскрывает всех механизмов, позволяющих тихоходкам превращаться в «безжизненный шар», значительно приближает к ответу на этот вопрос.

В новых исследованиях ученые хотят выяснить, можно ли считать окисление цистеина универсальным механизмом защиты у всех видов тихоходок. Биологи уверены, что их данные помогут коллегам в будущем лучше понять процессы старения и даже то, как сделать долгосрочные космические путешествия безопасными для человека.

Статья спизжена отсюда

Привет реактор. Пришёл с проблемой, я тупой. Но надеюсь это временно.

Суть в чём. Хочу попытать себя в програмировании. Купил даже книжку, самоучитель. Но она начала меня унижать просто с первых страниц. Я не хочу проигрывать какой-то там книжке.В связи с чем возникла проблема, математику я позабыл очень сильно. 

И так. Есть ли какой-нибудь учебник или ютуб канал, который помог бы мне уже великовозрастному дебилу подучить математику? Желательно что бы я понял.

Краткое описание карьерного пути научного сотрудника в западной стране

Я как-то уже писал коммент на эту тему, но решил попробовать запилить полноценный пост. Тут будет портянка спорной полезности, но вдруг кому-то поможет.

В этом посте я хочу описать карьерный путь научного сотрудника в западных странах (личный опыт у меня в Европе, но постараюсь добавить немного инфы от знакомых из США). Сразу оговорюсь, что я прошел его не до конца и спрыгнул перегорев, но постараюсь держать уровень эмоций в тексте на минимуме и обходиться исключительно фактами. Также я помню, что на реакторе периодически появлялись люди, которые тоже шли в науку и если они заметят, что-то недостающее или неверное - буду рад если напишут в комментариях. Еще одна заметка перед началом - речь пойдет об академических заведениях, а не исследовательских подразделениях частных компаний, в силу крайне высокой вариативности организации последних.

Итак перед началом научной карьеры требуется диплом о законченном высшем образовании. В некоторых странах (например США) есть возможность начать все со степени бакалавра, но вообще в среднем нужна магистерская степень или эквивалент (например диплом инженера). 

Первой ступенью является докторантура (по СНГ-шным стандартам - аспирантура). Вариантов докторантур бывает много. Самый распространенный - начальник исследовательской группы (профессор) выбивает грант, в рамках которого нанимает докторанта для выполнения какого-то исследовательского проекта. Профит профессора: выполненная работа и засечка о защите докторанта, профит докторанта: получение докторской степени (по сути билет в дальнейшую карьеру - без степени по сути никуда особо не уйдешь). В рамках этого формата докторантуры докторант получает некоторую зарплату: в Европе уровень обычно приемлемый - вполне хватает на нормальную без роскошеств жизнь (я собирал себе комп за 2к евро и в отпуск гонял на море раз-два в год и жил не деля квартиру ни с кем, хоть и была в ней только одна комната). В США дела обстоят намного хуже (прошу не записывать меня в свидетели госдолга - вполне реальная проблема и можно легко загуглить протесты докторантов из-за низких зарплат: https://www.theguardian.com/us-news/2022/mar/30/us-graduate-students-protest-against-low-pay-while-universities-profit-from-their-work). Я сам попал в подобную программу, но в моем случае грант получил не конкретный профессор, а несколько университетов и программа была рассчитана на 15 докторантов, у каждого был мультидисциплинарный проект. Сама работа по сути похожа на дипломный проект, но длиной в 3-4 года. За это время надо провести исследование, опубликовать результаты (обычно нужны 1-2 статьи хотя бы на этапе рассмотрения в журнале) и написать диссертацию (я занимался этим последние полгода до защиты примерно половину своего времени). Параллельно с работой докторант может быть обязан заниматься преподаванием - чаще всего в форме помощи профессору в проведении практических занятий и экзаменов. Иногда могут потребовать набрать некоторое число ECTS баллов в виде курсов, но обычно оно сравнительно небольшое (эквивалент 4-6 семестровых курсов). Есть и другие варианты докторантуры. Например структурированные программы - в этом случае получается нечто своего рода продолжения образования с посещением лекций, экзаменов и т д. Докторантуры в частном секторе по сути являются формой докторантуры, которая финансируется частной компанией, но все равно нуждается в сопровождении университетского профессора (только профессор может сопровождать докторанта и докторские дипломы выдаются исключительно университетами). Реже всего, пожалуй, встречаются самостоятельно финансируемые докторантуры - в этом случае потенциальный докторант сам придумывает идею для проекта и находит источник финансирования с чем приходит уже к профессору и просит формального сопровождения работы. Оканчивается докторантура защитой докторской диссертации: диссертация может быть как собрана из статей докторанта так и написана в формате монографии. В некоторых университетах помимо результата защиты (защитил/не защитил) могут ставить оценку за защиту. Оценки варьируются в зависимости от страны и (потенциально) от университета. В моем были cum laude (хорошо), magna cum laude (очень хорошо) и summa cum laude (с отличием). Последняя в моем университете требовала дополнительной номинации перед защитой и значительно усложняет сам процесс защиты: при “обычной” защите комиссия может задавать вопросы только в рамках темы диссертации, но при защите “отличной” диссертации вопросы могут задаваться потенциально по любой теме из предмета диссертации. Докторантура это еще достаточно расслабленная ступень и во многом хороший руководитель может помочь избежать излишних проблем. Защита докторской добавляет буст к эго в виде права приписывать Dr. перед своим именем (без диплома - может привести к уголовке).

Итак, после защиты диссертации отправляемся в самостоятельное плаванье. На этом уровне начинается самый эмоционально и физически трудный этап - постдок (postdoc). Постдок - это проект, ограниченный по времени (обычно в рамках какого-то гранта) и ограничение в районе 1-3 лет (при этом постдоки дольше 2 лет считаются нежелательными). Постдок настоятельно рекомендуется делать в другой стране (не в той же, где была докторантура), но это чисто европейское требование (в США не обязательно валить за границу). Абсолютно не рекомендуется делать постдок в той же группе, где защищалась докторская. Задача человека на постдоке - накопить критическую массу публикаций для получения серьезных грантов и/или перманентной должности. На этом этапе от человека ожидается активная публикация в роли основного автора и рост индексов цитирования (h-index/i10-index). Из желательного - неплохо бы получить статью с каким-нибудь именитым профессором. Из очень и очень хорошего - публикация в особо престижном журнале (Nature или Science), но это крайне редкое явление. Количество постдоков до получения более серьезной позиции может варьироваться в зависимости от темы исследований и от страны. Мало кто обходится одним постдоком (мне повезло и я ограничился одним), чаще всего уходит 2-3 постдока до момента получения “настоящей” работы. Самая главная проблема постдока - это стопроцентная временность трудоустройства (что особенно остро для иммигрантов). Изредка постдок можно продлить, но это не очень просто и требует некоторой гибкости финансирования у руководителя. Во время постдока зарплата чуть выше, чем у докторанта, но не излишне сильно (чаще всего докторант получает 70-80% зарплаты постдока). Для Германии и Швейцарии - это уровень несколько выше медианного (55-60й перцентиль). Но при этом количество работы легко может привести к 50-60-часовой рабочей неделе и отпуск крайне редко проходит без отвлечений на работу.

После стадии постдока появляется пара альтернативных путей развития карьеры. Первый и самый очевидный - это идти в профессора. Второй - идти по пути долгосрочного научного сотрудника при университете/исследовательском центре. Оба пути требуют или нахождения открытой должности и прохождения собеседования или же получения какого-то из грантов на создание собственной исследовательской группы. Гранты могут быть регионального, национального или международного уровня. Процент успеха в таких грантах около 3% считается очень высоким. При этом даже при нахождении уже открытой должности и получении оной - все равно придется искать гранты на найм сотрудников. Обычно стартовый грант покрывает зарплату новоиспеченного руководителя группы (скорее всего должность будет что-то формата Assistant/Associate Professor, в Германии еще может быть промежуточная стадия Junior Professor), одного постдока и пары докторантов. Тренд на количество рабочих часов продолжается - вдобавок к самостоятельной работе добавляется еще ответственность за докторантов. Я спрыгнул на этом уровне карьеры не выдержав колоссальных переработок, которые сильно осложняли личную жизнь. При всем при этом должность на данный момент еще не является постоянной - это еще так-называемая tenure-track должность. Обычно дается 5 лет на создание группы и получение первых результатов, после чего происходит разбор полетов с советом директоров универа/центра и выносится решение о превращении должности в постоянную. После этого можно несколько выдохнуть - работа у тебя остается уже по сути до пенсии (уволить tenure профессора можно только по решению совета директоров). Параллельно с этим происходят перемены в рабочем процессе профессора: количество работы выполняемой лично уменьшается, а количество менеджмента увеличивается. При этом место в списке авторов публикаций тоже смещается на последнее место (хотя не в каждой области порядок играет роль).

Верхний уровень - это уже уровень Full Professor - на этом этапе все время профессора уходит на менеджмент и поиск финансирования (написание заявок на гранты и т д). Количество подчиненных увеличивается как и суммы грантов, но принципиальных отличий от предыдущей ступени нету - есть только количественные.

По сути на этом все - если будут вопросы или дополнения - я постараюсь следить за комментариями.

Нейминг-Шмейминг ч.26

Новая отменная подборка названий и слоганов из рубрики Нейминг-Шмейминг

Сбрендил для вас,

Антон Логотиппер