Novo otkriće ruši 80 godina staro pravilo teorije turbulencije

Naučnici su pronašli način da upravljaju tokom turbulentne energije, obarajući staro pravilo.

Istraživači su otkrili način da preokrenu tok energije u turbulenciji, osporavajući teoriju koja je prihvaćena duže od 80 godina. Ovo otkriće bi moglo da otvori nove mogućnosti za kontrolisanje okeanskih struja, unapređenje medicinskih tehnologija i poboljšanje klimatskih prognoza.

Preporučujemo

Za svakoga ko je posmatrao okeanske talase ili brzo kretanje vode, turbulencija može izgledati kao čisti haos. Snažne struje se uvijaju, stvarajući virove koji se dele na sve manje i manje vrtloge dok njihova energija ne iščezne.

Decenijama naučnici veruju da ovaj proces prati predvidljiv obrazac. Smatra se da u trodimenzionalnim sredinama, kao što su okeani i atmosfera, energija ide od većih struktura ka manjim. Novo istraživanje sugeriše da to pravilo možda nije toliko fiksirano kao što se misli.

Istraživači sa Univerziteta u Pitsburgu i Univerziteta u Torinu otkrili su da se pravac toka energije u turbulenciji zapravo može promeniti. Njihovi nalazi bi mogli imati implikacije po medicinu, priobalnu kontrolu i nauku o klimi.

Osporavanje fundamentalne teorije o turbulenciji

„U 3D tokovima, kao u masama vode, energija se kreće sa većih ka manjim razmerama. Za 2D tokove, koji se javljaju u tankim slojevima vode, taj tok je obrnut – od manjeg ka većem“, kažu istraživači. Da bi ispitali da li se ovo ponašanje može promeniti, pristupili su problemu iz drugačije perspektive.

Proces toka energije preoblikovan je u mehanički proces na bazi Navje-Stoksovih jednačina, a pošto je u pitanju mehanički proces - mogli su da pokušaju da ga preokrenu menjajući geometriju između pomeranja i sile. Ovaj pristup se oslanjao na tenzore, matematičke objekte koji se obično koriste za opisivanje kvantiteta kao što su napon i deformacija. Ova svojstva imaju bitnu ulogu u formiranju turbulencije.

„Pokazali smo da možemo da proizvedemo turbulentne tokove koji pokazuju tok energije ili unapred ili inverzno. Naš geometrijski okvir se takođe proširuje na 3D skalu“, kažu istraživači.

Raniji rad je pokazao da maleni plivači mogu da poremete moćne okeanske struje. U novoj studiji, pažnja je usmerena na pozadinski tok i kako reaguje sa eksternim silama. Otkriveno je da – kada su postrojene na specifične načine – te sile mogu da promene način na koji se energija kreće kroz turbulentni sistem.

U cilju testiranja teorije, izvedeni su laboratorijski eksperimenti pomoću tankog sloja vode pokretanog elektromagnetnim silama. Horizontalno magnetno polje je generisalo dvodimenzionalni tok, dok je niz štapića korišćen da ga poremeti. Rezultati su se poklopili sa kompjuterskim simulacijama i podržali predviđanja novog teorijskog okvira.

Potencijalne primene od okeana do medicine

Sposobnost uticaja na tok turbulentne energije mogla bi doneti praktične koristi u raznim oblastima.

„Putem ovog teorijskog okvira otkrili smo da možemo koristiti male fizičke granice do deset metara radi narušavanja okeanskih transportnih barijera koje se protežu kilometrima. Moguće je promeniti tok energije, što može poboljšati način na koji se otpadna vode ili drugi zagađivači duž obale raspršuju“, kažu istraživači.

Nalazi bi takođe mogli biti korisni u medicini, posebno u mikrofluidnim sistemima gde se tečnosti kreću kroz kanale manje od milimetra. Na tom nivou, tečnosti se obično loše mešaju jer je turbulencija uveliko odsutna.

„U mikrofluidnim tokovima manjim od milimetra, gde viskoznost tečnosti otežava mešanje jer ima malo turbulencije ili je nema, mogli bismo da poređamo sile i pomeranje radi generisanja slabe ‘turbulencije sa niskim Rejnoldsovim brojem’, što bi moglo da ubrza mešanje agenasa“.

Implikacije za modeliranje klime

Ovo istraživanje takođe može doprineti budućim poboljšanjima klimatskih simulacija. Okeanske struje i atmosferska cirkulacija imaju bitne uloge u regulisanju globalnih temperatura. Pošto klimatske promene menjaju obrasce vetrova i ponašanje okeana, sile koje deluju na ove sisteme mogu takođe uticati na to kako se energija kreće kroz turbulentne tokove. Razumevanje sila koje stvaraju ovu promenu može dovesti do preciznijih modela.

Iako je potrebno dodatno istraživanje, studija sugeriše da jedna od najčvršćih pretpostavki teorije turbulencije može biti fleksibilnija nego što naučnici smatraju. Umesto da jednostavno prati već određene putanje, turbulentna energija se pod odgovarajućim uslovima može navoditi i preusmeravati.

(Telegraf Nauka/Science Daily)