Розвиток ефективних технологій механічної обробки на верстатах і обробних центрах з цифровим програмним управлінням дозволили при цьому різко знизити витрати і суттєво підняти якість і точність обробки систем генеруючих вихрові потоки, званих вихровими генераторами

Крім машинобудівної бази для виготовлення зазначених компонентів за останній час вченими різних країн виконані фундаментальні і прикладні дослідження, що дозволили краще і глибше пізнати природу вихрових потоків і вершини вихровий техніки, - природу вихрових труб

Так фізики створили математичну модель руху завитків. Робота опублікована в журналі Physical Review Letters, її короткий зміст можна прочитати на сайті Американського фізичного товариства.

Для того, щоб зрозуміти закони руху завитків, вчені вирішили скласти математичну модель, засновану на простому експерименті з смужкою металу.

Смужка довжиною 60 сантиметрів і товщиною 0,1 міліметр була попередньо згорнута в котушку (спокійний стан), а потім розправлена на поверхні (напружений стан).

Після того, як смужку відпускали, вона згорталася в завиток. Цей процес дослідники записували на відеокамеру і використовували для складання моделі.
Після того як автори переконалися в тому, що модель з достатньою точністю відтворює поведінку металевого завитка, вони могли проводити віртуальні експерименти із смужкою необмеженої довжини.

Так як кожен сегмент смужки в розправленому стані містив однакову кількість енергії, то швидкість руху завитка виявилася постійною.

Зростання завитка під час скручування виявився рівноприскореному і залежав тільки від часу (L = kxt / 3, де t час).

Вважалося, що зростання розміру завитка при скручуванні з часом повинен припинитися (він повинен досягти якогось природного розміру).

Насправді завиток продовжує збільшуватися незалежно від довжини смужки.
Відбувається це через те, що сила, яка намагається зробити завиток менше, компенсується відцентровою силою обертання (гравітацію в моделі не враховували).

Причому збільшення є самоподібним, тобто всі частини пружини ростуть пропорційно.

Об'єкти з формою завитка широко зустрічаються в природі - від кучерявого волосся до вусиків рослин. Деякі інженери пропонують використовувати завитки, які утворюються смужками з двох різних матеріалів, в якості мікроскопічних моторів. Робота з моделювання руху може допомогти в цьому інженерам.

Величезну роль у формуванні умов для створення вихрових систем грають нові композитні матеріали, особливо різновиди графіту і його модифікацій

Так німецькі хіміки створили новий матеріал, що отримав назву аерографії.

Відмінною особливістю нового матеріалу є вкрай низька щільність - менше мікрограма на кубічний сантиметр. Стаття вчених з описом технології отримання нового матеріалу і деяких його властивостей з'явилася в журналі Advanced Materials.

Матеріал являє собою мережу вуглецевих трубок. Для отримання матеріалу вчені спочатку виготовили основу з оксиду цинку за спеціальною технологією.

Потім ця основа була поміщена в кварцову трубку, в якій при високій температурі на ній був вирощений аерографії. Вчені серед іншого описали залежність властивостей отриманого матеріалу від параметрів, що визначають його виготовлення, - наприклад, температурного режиму.

За словами авторів роботи, новий матеріал відрізняється унікальними механічними та електричними властивостями.

Зокрема, він може знайти застосування при створенні мікроелектромеханічних пристроїв, а також виробництві електродів. Особливо подібний матеріал може бути затребуваний при створенні інструментів, які повинні витримувати високу прискорення.

Новий матеріал отримав назву за аналогією з аерогелю. Так називають матеріали, структура яких нагадує гель, де рідка фаза замінена на газоподібну. Такі матеріали, володіючи дуже низькою щільністю, можуть бути при цьому вельми твердими і міцними. При цьому вони майже прозорі, за що ще їх називають "твердим димом".

У листопаді 2011 року в Science вийшла стаття, в якій був описаний спосіб виробництва надлегкої металевої губки. Спочатку вчені створювали полімерну основу, в якій пророблялося безліч циліндричних каналів. Пізніше на цю основу наносився сплав з нікелю і фосфору. За твердженням творців, новий матеріал може служити для створення теплоізоляції, звукоізоляції, більш ефективних електродів для батарей і багато чого іншого.

Величезну роль в математичній інтерпретації вихрових тривимірних систем зіграли і останні розробки математиків

Математики вперше показали зображення плоского тора - абстрактної математичної фігури, вперше передвіщеної математиками Ніколасом Кейпер і нобелівським лауреатом Джоном Нешем в середині минулого століття. Робота опублікована в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences, її короткий опис можна прочитати на сайті французького Національного центру наукових досліджень.

Плоский тор - це фігура, топологічно еквівалентна квадрату. Якщо уявити собі квадрат і з'єднати його верхню межу з нижньої, ми отримаємо щось подібне до циліндра. Якщо потім з'єднати краї циліндра один з одним, то вийде тор - фігура, схожа на бублик.

Однак, якщо на вихідний квадрат завдати вертикальні і горизонтальні лінії, то вертикальні лінії в ході перетворення збережуть свою довжину, у той час як горизонтальні виявляться розтягнутими. Це відбувається тому, що неможливо поєднати краю циліндра, не розтягуючи його.

Неш і Кейпер в середині п'ятдесятих років минулого століття довели існування такого тора в тривимірному просторі, в якому ні горизонтальні, ні вертикальні лінії не будуть розтягнуті (в чотиривимірному такий тор будується досить просто). Таку фігуру називали плоским тором.

Пізніше, в 70-80ті роки радянський математик Михайло Громов розробив метод, який міг допомогти побудувати таку фігуру. Французьким математикам вдалося зробити на основі методу Громова алгоритм, який дозволив отримати зображення фігури.

Алгоритм діяв наступним чином. Він починав зі звичайного гладкого тора і м'яв його так, щоб вертикальні лінії вихідного квадрата наблизилися по довжині до розтягнутим горизонтальним. Таке "зморщування" послідовно відбувалося до тих пір, поки фігура не досягала бажаного ступеня подробиці.

Отримана комп'ютерна тривимірна модель складалася з майже двох мільярдів вузлів. Обрисами вона нагадувала тор, хоча і мала незвичайні властивості.

Поверхня моделі була періодичною (самоподобной), і цим нагадувала поверхню фракталів, але при цьому, на відміну від фракталів, все одно залишалася гладкою.

Щоб зрозуміти, що таке плоский тор, уявімо собі квадрат на площині. Будемо вважати, що протилежні сторони у квадрата ототожнені.

Це означає, що всякий двовимірний об'єкт на цьому квадраті, заїжджаючи за один край, виїжджає з протилежного (аматори класичних ігор пам'ятають, що в "астероїд" саме так літали астероїди).

Щоб зрозуміти, що це тор, склеим два краї квадрата - отримаємо циліндр. Тепер склеим краю циліндра і отримаємо звичний всім бублик.

При цьому, якщо б склеювання виконувалися в дійсності, стало б зрозуміло, що з паперового квадрата циліндр виходить досить просто, а от з циліндра тор - вже немає. Це пов'язано з тим, що в нашому квадраті відрізки, паралельні його сторонам, мають однакову довжину по горизонталі і по вертикалі, в той час як на справжньому бублику паралелі (наприклад, на зовнішній стороні тора і на внутрішній) мають різні довжини.

Щоб зробити з паперового циліндра тор, його доведеться зім'яти, з'являться злами, гострі краї, тобто поверхня не буде C1-різноманіттям.

У рамках роботи, опублікованої в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences, французькі вчені запропонували діяти наступним способом.

Спочатку вони взяли звичайний тор в тривимірному просторі, а потім стали обурювати його так, що довжини одних паралелей збільшувалися, а довжини інших - зменшувалися. Збурення були розбиті на послідовність кроків, межею яких і повинно було стати потрібне вкладення.

При цьому в межі виходить об'єкт, у якого в кожній точці є дотична площина, однак по побудові він нагадує фрактал. Ці об'єкти вчені назвали C1-фракталами. За їх словами, ці фрактали можуть представляти інтерес для математиків-теоретиків.

Побудова ізометричного вкладення плоского тора цікаво, звичайно, і саме по собі - повертаючись до аналогії з крадіжкою гаманця, завжди приємно дізнатися, хто ж все-таки виявився злодієм.

Разом з тим, перша робота, швидше за все, є всього лише першою ластівкою: тепер, коли французи довели практичну реалізованість методу опуклого інтегрування, він приверне увагу фахівців з обчислювальної математики по всьому світу. Хто знає, може, й у них вийдуть такі ж красиві картинки.

Плоди суміщення і об'єднання технологій, - це багато типів віхреобразующіх систем, що використовуються в різних процесах вихреобразования, починаючи від систем вихрового уприскування рідин в газовий потік і кінчаючи вихровим змішуванням природного газу з повітрям у різних промислових термодинамічних системах
Далі наводяться деякі приклади тривимірних моделей таких систем, в тому числі і тривимірних просторових вихрових генераторів, здатних ефективно і в розвиненому динамічному режимі сформувати вихрову трубу, рух потоків в якій повністю підкоряється сучасним інтерпретаціям основних фізичних законів