W 1941 roku rosyjski matematyk Andriej Kołmogorow opracował elegancką teorię opisującą przepływ energii w turbulentnych płynach. Jego model pokazywał, jak duże wiry przekazują energię coraz mniejszym strukturom, aż ta zostaje ostatecznie rozproszona przez lepkość. Przez lata naukowcy spierali się jednak, czy skalowanie Kołmogorowa zachowuje ważność w przepływach dwufazowych, gdzie w płynie unoszą się pęcherzyki gazu.
Nowatorska metoda badawcza
Badacze z Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Johns Hopkins University i Duke University opracowali specjalną technikę trójwymiarowego jednoczesnego śledzenia lagranżowskiego. To podejście umożliwiło precyzyjne obserwowanie ruchu zarówno bąbelków, jak i mikroskopijnych cząstek znacznikowych w wodzie. Cały eksperyment przeprowadzono w pionowej kolumnie o średnicy 11,5 centymetra, gdzie od dołu wprowadzano kontrolowane roje pęcherzyków. Cztery zsynchronizowane kamery rejestrowały proces z prędkością 2500 klatek na sekundę, co pozwoliło uchwycić najdrobniejsze szczegóły turbulentnego ruchu.
Czytaj także: Grafit zachowuje się wbrew prawom fizyki. Naukowcy potwierdzili fenomen
Po przebadaniu czterech różnych konfiguracji bąbelków o różnej wielkości i gęstości, naukowcy zauważyli coś interesującego. W przypadku pęcherzyków o średnicy 3-5 milimetrów przy umiarkowanej gęstości turbulencja w płynie ściśle odpowiadała przewidywaniom Kołmogorowa, ale wyłącznie w skalach mniejszych niż rozmiar samych bąbelków. Co ciekawe, teoria najlepiej sprawdzała się w obszarach poza bezpośrednimi śladami bąbelków, gdzie płyn był mniej zaburzony. W samych śladach intensywne mieszanie zakłócało klasyczną kaskadę energetyczną.
Praktyczne implikacje
Zespół nie poprzestał na teoretycznym potwierdzeniu. Opracował również praktyczny wzór matematyczny do szacowania strat energii w przepływach bąbelkowych. Co zaskakujące, równanie wymaga tylko dwóch parametrów: rozmiaru bąbelków i gęstości ich upakowania. Taka prostota może znacząco ułatwić pracę inżynierom projektującym reaktory chemiczne czy systemy oczyszczania ścieków.
Badacze natknęli się jednak na naturalne ograniczenie. Okazało się, że dla idealnego zakresu inercyjnego Kołmogorowa potrzebne byłyby znacznie większe bąbelki, ale te naturalnie rozpadają się z powodu niestabilności hydrodynamicznych. To swoisty paradoks. Wychodzi bowiem na to, że natura sama ogranicza możliwość osiągnięcia perfekcyjnej turbulencji w takich systemach.
Znaczenie dla przyszłości
Opublikowane w Physical Review Letters wyniki mają potencjalnie szerokie zastosowania. Lepsze zrozumienie turbulencji w systemach bąbelkowych może wpłynąć na efektywność procesów w petrochemii czy biotechnologii. Równie istotne są implikacje dla modelowania klimatu, gdzie interakcje gaz-płyn odgrywają kluczową rolę w oceanach i atmosferze. Być może dzięki temu uda się poprawić dokładność prognoz pogody.
Czytaj także: Prawo Zipfa. Tajemniczy wzór, który łączy wszystkie języki
To fascynujące, jak 84-letnia teoria wciąż znajduje potwierdzenie w nowych obszarach badań. Kołmogorowowska wizja turbulencji okazuje się zaskakująco uniwersalna, co dowodzi, że niektóre fundamentalne prawa fizyki działają nawet w najbardziej złożonych środowiskach. Choć nauka rzadko oferuje proste rozwiązania, to w tym przypadku stanowi dowód tego, że warto powracać do klasycznych koncepcji z nowymi narzędziami badawczymi.