Коллектив американских ученых создал экспериментальный метод для измерения гидродинамической спиральности и показал, что при определенных условиях она может сохраняться не только в идеальной, но даже в вязкой жидкости, например в воде. Это означает, что полная спиральность, наравне с энергией, импульсом и моментом импульса, может использоваться в качестве инвариантов для гидродинамических течений, что особенно востребовано при изучении атмосферных вихревых явлений, таких как ураганы или смерчи. Новое исследование опубликовано в .При изучения многих, если не всех, физических явлений большую роль играют так называемые инварианты: величины, которые в определенных условиях сохраняются с течением времени. Все хорошо знают такие инварианты, как энергия, импульс и момент импульса, для которых еще в школе проходят законы сохранения. Гидродинамические задачи славятся особо сложной математикой, поэтому в этой области инварианты особенно востребованы и ценны, так как позволяют резко упростить решения непростых систем уравнений.Для гидродинамических потоков известен еще один инвариант — спиральность. Это интеграл по объему от скалярного произведения скорости на ее вихрь, или ротор. Спиральность не равна нулю в тех системах, где вихри не имеют зеркальной симметрии. Представьте себе вихревое кольцо (колечки сигаретного дыма или кольцеобразные пузыри под водой), а теперь замените его на длинную спираль или завяжите в узел-трилистник. Или представьте два кольца, сцепленных вместе, — все это будут системы с ненулевой спиральностью. Спиральность тесно переплетается с математической теорией узлов и в принципе отражает топологию системы, то есть взаимное расположение нескольких вихрей или одних участков вихря относительно других. Для идеальных жидкостей, в которых нет вязкости, то есть внутреннего трения, есть точное решение, согласно которому при определенных условиях спиральность является инвариантом. Это значит, что топология вихря не изменяется с течением времени — он двигается вместе с жидкостью, как будто «вмороженный» в нее. Но с наличием вязкости эта картина может резко поменяться и из-за трения элементов жидкости друг о друга спиральность станет другой, а вихрь изменит свою структуру. Эта область долгое время оставалась неизученной, так как не существовало метода для точного измерения спиральности в вихрях сложной формы.