Turbulencja, czyli przepływ burzliwy, to określenie “skomplikowanego nielaminarnego ruchu płynów”. Terminem tym określa się złożone zachowania dowolnego układu fizycznego, czasami zachowania chaotyczne. Klasycznym przykładem utraty stabilności ruchu jest unoszący się dym papierosa. Początkowo wydaje się być on zorganizowany (ruch laminarny), ale ok. 10 cm nad papierosem powstają zawirowania, które tracą uporządkowaną strukturę.
Czytaj też: Turbulencje coraz częstsze. Naukowcy wskazują przyczynę wzrostu tego śmiertelnego zagrożenia
Badanie turbulencje w warunkach laboratoryjnych do tej pory było utrudnione, gdyż zawsze łączyły się one z obiektem wprawiającym w ruch ciecz lub gaz. Naukowcy z Uniwersytetu w Chicago opracowali pionierski sposób na tworzenie turbulencji w zbiorniku z wodą. Używają pierścienia dysz do wydmuchiwania pętli, aż utworzy się i pozostanie izolowana “kula” turbulencji. Szczegóły opisano w Nature Physics.
To było dla nas zaskoczeniem. Zupełnie jak spokojne siedzenie na polu podczas pikniku i obserwowanie burzy szalejącej na horyzoncie. prof. William Irvine z Uniwersytetu w Chicago
Turbulencje, jakich jeszcze nie widzieliśmy
W ostatnich dekadach fizycy poczynili postępy w opisywaniu zachowania „wyidealizowanego” stanu turbulencji. Oznacza to turbulencje bez zakłócających zmiennych, takich jak granice lub zmiany siły i czasu. Ale turbulencje w świecie rzeczywistym nigdy takie nie są, więc jest jeszcze wiele do zrozumienia.
Turbulencje pojawiają się wszędzie wokół nas, ale wciąż wymykają się temu, co fizycy uważają za satysfakcjonujący opis. Na przykład, jeśli zapytasz, czy mogę przewidzieć, co stanie się, kiedy uderzę w ten obszar turbulencji, odpowiedź brzmi: nie. Nawet superkomputer tego nie przewidzi. prof. William Irvine
Jednym z największych problemów fizyków była obecność zakłócających zmiennych w eksperymentach. Można wywołać turbulencje mieszając wiosłem w zbiorniku z wodą, ale tak wywołana turbulencja zawsze ociera się o ścianki pojemnika i mieszadło, co wpływa na wyniki. Teraz naukowcy stworzyli tzw. kręgi wirowe, podobne do pierścieni dymu, ale w wodzie. Kiedy próbowali połączyć je w celu wywołania turbulencji, energia zwykle odbijała się od nich, zanim się rozpraszała.
Czytaj też: Defekty źródłem korzyści. Miniaturowy świat zaskoczył po raz kolejny
Ale w przypadku jednej konfiguracji zbiegające się pierścienie tworzyły kulę turbulencji, która była samowystarczalna z dala od ścian zbiornika. Okazało się to wielkim przełomem, bo fizycy nie wiedzieli, że to w ogóle możliwe.
Samodzielna kula turbulencji pozwala uczonym za pomocą laserów i szybkich kamer dokładnie śledzić jej parametry. Mówimy o jej energii, spiralności (tego jak splątane są pętle), a także impulsie i impulsie kątowym. Co najciekawsze – można je dowolnie modyfikować.
Jak rozprasza się turbulencja? Jak się rozszerza? Co „pamięta”? W jaki sposób energia rozkłada się na skalę? Czy istnieją różne rodzaje turbulencji? Istnieje wiele pytań, które możemy zadać, a to wyjątkowe miejsce do ich zadawania. Naprawdę mam nadzieję, że tym odkryciem otworzymy nowy plac zabaw dla fizyków. prof. William Irvine
