Публичный домен
Самая известная картина Винсента Ван Гога — Звездная ночь (1889), созданная (вместе с несколькими другими шедеврами) во время пребывания художника в приюте в Арле после его нервного срыва в декабре 1888 года. Где некоторые видели закрученные вихри ночного неба, изображенные на Звездная ночь Как отражение внутреннего смятения самого Ван Гога, физики часто видят мастерское изображение атмосферной турбулентности. Согласно новая бумага Согласно опубликованным в журнале Physics of Fluids данным, иллюзия движения в голубом небе Ван Гога также обусловлена масштабом мазков краски — вторым видом «скрытой турбулентности» в микромасштабе, которая распространяется по всему холсту.
«Оно демонстрирует глубокое и интуитивное понимание природных явлений», сказал соавтор Юнсян Хуан из Сямэньского университета в Китае. «Точное изображение турбулентности у Ван Гога могло быть результатом изучения движения облаков и атмосферы или врожденного чувства того, как запечатлеть динамику неба».
Как ранее сообщалосьв Выступление на конференции TED-Ed 2014 г.Наталья Сент-Клер, научный сотрудник в Консорциуме Конкорда и соавтор Искусство устного счетаиспользовал Звездная ночь чтобы пролить свет на концепцию турбулентности в текущей жидкости. В частности, она рассказала о том, как техника Ван Гога позволила ему (и другим художникам-импрессионистам) изобразить движение света по воде или в мерцании звезд. Мы видим это как своего рода мерцающий эффект, потому что глаз более чувствителен к изменениям интенсивности света (свойство, называемое яркость), чем к изменениям цвета.
В физике турбулентность относится к сильным, внезапным движениям в воздухе или воде, обычно отмеченным вихрями и завихрениями. Физики боролись на протяжении столетий, чтобы математически описать турбулентность. Это все еще одна из величайших оставшихся проблем в этой области. Но российский физик по имени Андрей Колмогоров Значительного прогресса он добился в 1940-х годах, когда предсказал существование математической связи (теперь известной как масштабирование Колмогорова) между тем, как скорость потока колеблется с течением времени, и скоростью, с которой он теряет энергию в результате трения.
То есть, некоторые турбулентные потоки демонстрируют энергетические каскады, в результате чего крупные вихри передают часть своей энергии более мелким вихрям. Меньшие вихри, в свою очередь, передают часть своей энергии еще более мелким вихрям и так далее, создавая самоподобную картину во многих пространственных масштабах. Экспериментальные данные с тех пор показали, что Колмогоров не так уж далек от своего предсказания.
В 2019 году двое австралийских аспирантов математически проанализирован картина и пришли к выводу он обладает теми же турбулентными свойствами, что и молекулярные облака (где рождаются настоящие звезды), основанные на Снимок Хаббла 2004 года турбулентных вихрей пылевых облаков, движущихся вокруг сверхгигантской звезды. Они изучили цифровые фотографии нескольких картин Ван Гога и измерили яркость, варьирующуюся между любыми двумя пикселями, вычислив вероятность того, что два пикселя на заданном расстоянии будут иметь одинаковую яркость. Они нашли доказательства чего-то удивительно близкого к масштабированию Колмогорова, не только Звездная ночьно и на двух других картинах того же периода жизни Ван Гога: Пшеничное поле с воронами и Дорога с кипарисом и звездой (обе написаны в 1890 году).
Мазки кистью в микромасштабе
Иньсян Ма
Хуан — морской ученый, который сотрудничал с физиками, чтобы поближе рассмотреть турбулентные узоры, скрывающиеся в шедевре Ван Гога. Они сосредоточились на изучении пространственных масштабов 14 основных вихревых вихрей на картине, используя относительную яркость цветов краски в качестве аналога кинетической энергии. В частности, они точно измерили типичный размер мазка кисти, а затем сравнили эти масштабы с тем, что предсказывает динамика жидкости.
Их выводы подтвердили вывод 2019 года о том, что общая картина тесно связана с законом Колмогорова. Команда также обнаружила, что в микромасштабе мазки краски связаны с другим явлением, известным как Масштабирование Бэтчелораназванный в честь австралийского математика Джордж Бэтчелоркоторый специализировался на динамике жидкости. Это похоже на закон Колмогорова, за исключением того, что вместо описания наименьших масштабов турбулентности до того, как вязкость станет доминирующей в системе, масштабирование Бэтчелора описывает наименьшие масштабы флуктуаций до того, как диффузия станет доминирующей. По словам авторов, довольно редко можно найти оба этих вида масштабирования в одной атмосферной системе.
Это еще одно доказательство того, что Ван Гог обладал тонким интуитивным чувством турбулентности, и он прекрасно запечатлел его в Звездная ночь. Также могут быть последствия для динамики жидкости. «Считается, что турбулентность является одним из внутренних свойств потоков с высоким числом Рейнольдса, в которых доминирует инерция, но в последнее время явления, подобные турбулентности, были зарегистрированы для различных типов систем потоков в широком диапазоне пространственных масштабов с низким числом Рейнольдса, где вязкость является более доминирующей», Хуан сказал«Похоже, настало время предложить новое определение турбулентности, чтобы охватить больше ситуаций».
DOI: Физика жидкостей, 2024. 10.1063/5.0213627 (О DOI).