Podstawy współczesnego rozumienia turbulencji sięgają 1941 roku, kiedy rosyjski matematyk Andriej Kołmogorow zaproponował teorię opisującą tzw. kaskadę energii. Według niej energia w turbulentnym przepływie przechodzi od dużych wirów do coraz mniejszych struktur, aż w końcu zostaje rozproszona w postaci ciepła. Przez dziesięciolecia model ten stanowił fundament fizyki płynów i był stosowany w niemal każdej dziedzinie, od inżynierii po klimatologię.
Czytaj też: Nawet nie wiesz, jakie cuda można robić z ryżu. Ta cecha sprawia, że powstaje z niego materiał przyszłości
Nowe badania sugerują jednak, iż rzeczywistość może być znacznie bardziej elastyczna. Zespół naukowców wykazał, że kierunek przepływu energii w turbulencji nie zawsze jest stały. W określonych warunkach można go odwrócić lub zmodyfikować, co oznacza, że chaos wcale nie jest tak losowy, jak wcześniej zakładano. turbulence okazuje się podatna na kontrolę, przynajmniej w pewnych skalach i konfiguracjach.
Klucz do tego odkrycia tkwi w geometrii układu. Naukowcy pokazali, że sposób, w jaki siły działają na ciecz i jak jest ona ograniczona przestrzennie, wpływa bezpośrednio na kierunek przepływu energii. W praktyce oznacza to, że poprzez odpowiednie ustawienie warunków można zmieniać dynamikę całego układu. Eksperymenty laboratoryjne potwierdziły, iż manipulując strukturą przepływu, da się uzyskać zarówno klasyczny przepływ energii, jak i jego odwróconą wersję.
Co może nam to dać w praktyce? Mogłoby chociażby pozwolić na lepsze kontrolowanie mieszania cieczy, co jest kluczowe w przemyśle chemicznym, oczyszczaniu wody czy nawet w medycynie. W mikroskali, gdzie naturalna turbulencja praktycznie nie występuje, takie sterowanie przepływem może umożliwić efektywne mieszanie substancji w urządzeniach mikroprzepływowych.
Jednocześnie inne badania pokazują, że klasyczna teoria wciąż ma ogromną wartość. W eksperymentach analizujących zachowanie pęcherzyków gazu unoszących się w cieczy naukowcy po raz pierwszy bezpośrednio potwierdzili, że tzw. skalowanie Kołmogorowa rzeczywiście występuje nawet w tak złożonych układach.
Czytaj też: Rewolucja w analizie materii. Nowy spektrometr otwiera okno na mikroskopijny świat
W tych eksperymentach wykorzystano zaawansowane systemy śledzenia ruchu, które pozwoliły obserwować zarówno same pęcherzyki, jak i cząsteczki cieczy wokół nich w trzech wymiarach. Okazało się, iż w określonych warunkach energia rzeczywiście przepływa zgodnie z przewidywaniami sprzed ponad 80 lat, tworząc klasyczną kaskadę od dużych struktur do małych wirów. To zestawienie dwóch pozornie sprzecznych wyników prowadzi do ważnego wniosku. Teoria Kołmogorowa nie jest błędna, ale nie jest też uniwersalna w sposób absolutny. Zamiast jednego sztywnego prawa mamy raczej zestaw zasad, które mogą się zmieniać w zależności od warunków fizycznych.
Źródło: Science Advances
