Dwa rodzaje turbulencji w jednym płynie
Badanie opublikowane przez naukowców z Instytutu Nauki i Technologii na Okinawie podważyło dotychczasowe założenia dotyczące zachowania płynów zawierających polimery. Dotąd uważano, że turbulencja elastyczna – charakterystyczna dla takich substancji – występuje tylko przy niskich siłach inercyjnych. Jak zauważają autorzy wspomnianej publikacji, w największych skalach, w których istnieje inercyjna turbulencja przepływu, przepływ jest fundamentalnie zmieniony w stosunku do turbulencji newtonowskiej poniżej skali Kołmogorowa. Okazało się, iż w rzeczywistości turbulencja elastyczna może współistnieć z innymi formami turbulencji nawet przy wysokich wartościach liczby Reynoldsa. Oznacza to, że w jednym płynie mogą równocześnie występować różne reżimy turbulentne: jeden w skali makro, drugi w skali mikro.
Czytaj też: Nieśmiertelna fala z kanału Union. Odkrycie szkockiego inżyniera zmieniło oblicze fizyki
Kluczowe dla odkrycia były przeprowadzone symulacje numeryczne o niespotykanej dotąd rozdzielczości 1024³ punktów. Taka precyzja była niezbędna do zaobserwowania zjawisk zachodzących w najmniejszych skalach. Wyniki ujawniły nietypowe właściwości statystyczne. W obszarach zdominowanych przez turbulencję elastyczną widmo energii przyjmuje wartości odbiegające od klasycznego skalowania Kołmogorowa, co wskazuje na znacznie bardziej złożoną naturę tych procesów. Artykuł na ten temat jest dostępny w Physical Review Letters.
Praktyczne implikacje odkrycia i dalsza część badań
To nie tylko ciekawostka naukowa. Zrozumienie współistnienia różnych typów turbulencji może przynieść realne korzyści w wielu branżach. W przemyśle petrochemicznym może to oznaczać oszczędności energii dzięki lepszej optymalizacji transportu płynów. Dla branży kosmetycznej i spożywczej nowa wiedza otwiera możliwość projektowania produktów o lepszych właściwościach użytkowych: od łatwiejszej aplikacji po poprawę stabilności podczas przechowywania. W biotechnologii, gdzie często wykorzystuje się roztwory polimerowe, kontrola warunków turbulencji może usprawnić procesy mieszania i projektowanie systemów pompowych.
Czytaj też: Czy to wyjątek od praw fizycznych? Ta ciecz powraca do poprzedniego kształtu
Trzeba przyznać, że brzmi to obiecująco, dlatego teraz pozostaje czekać na faktyczne efekty badań. Przejście od laboratoryjnych obserwacji do praktycznych wdrożeń – jeśli zakończy się sukcesem – powinno przynieść szereg realnych korzyści. Poza tym samo odkrycie pokazuje, jak wiele jeszcze nie wiemy o pozornie zwyczajnych zjawiskach. Naukowcy planują dalsze badania nad zachowaniem tych zjawisk w bardziej złożonych układach. Być może kiedyś dzięki tym odkryciom ketchup będzie łatwiej wypływać z butelki, a szampon lepiej się spieniać. Póki co, możemy tylko obserwować, jak nauka na nowo odkrywa to, co wydawało się oczywiste.