تخيّل أنّك على متن طائرة، وفجأةً تشعر باهتزاز. ومع ذلك عندما تنظر خارج النافذة لا ترى أي شيء يحدث، لكنّ الطائرة ما زالت تهتزّ بك وببقية المسافرين لأنها تمرّ عبر مطبٍ هوائيٍّ في الجو.
You’re on an airplane when you feel a sudden jolt. Outside your window nothing seems to be happening, yet the plane continues to rattle you and your fellow passengers as it passes through turbulent air in the atmosphere.
رغم أن سماعها لا يشعرك بالطمأنينة، لكنّ هذه الظّاهرة تعدُّ من أكثر ألغاز الفيزياء شيوعاً. فبعد دراسة المطبّات الجويّة لأكثر من قرن، توصلنا إلى بعض الإجابات حول آليّة عملها وكيف تؤثّر على العالم من حولنا.
Although it may not comfort you to hear it, this phenomenon is one of the prevailing mysteries of physics. After more than a century of studying turbulence, we’ve only come up with a few answers for how it works and affects the world around us.
مع أنّ هذه الاضطرابات هي أمرٌ شائع، فهي تظهر في أي نظامٍ يحوي موائع متحرّكة. ويشمل ذلك تدفق الهواء في جهازك التّنفسيّ، وتدفّق الدّم في أوعيتك الدّمويّة، والقهوة التي تحرّكها في الفنجان. حتى الغيوم تخضع للاضطرابات، وكذلك الأمواج التي تنكسر على الشّاطئ وعواصف البلازما في شمسنا. إنّ استيعاب آليّة عمل هذه الظّاهرة سينعكس على جوانب عديدة في حياتنا.
And yet, turbulence is ubiquitous, springing up in virtually any system that has moving fluids. That includes the airflow in your respiratory tract. The blood moving through your arteries. And the coffee in your cup, as you stir it. Clouds are governed by turbulence, as are waves crashing along the shore and the gusts of plasma in our sun. Understanding precisely how this phenomenon works would have a bearing on so many aspects of our lives.
إليك ما نعرفه حتى الآن، لدى الغازات والسّوائل نوعان من الحركة عادةً: الجريان الصّفيحيّ ويتميّز بالاستقرار والسلاسة، والجريان المضطرب والذي يتشكّل من دواماتٍ عشوائيّة لحد ما. تخيّل عوداً من البخّور، الجربان الصّفائحيّ للدخان الأملس في الأسفل يكون منتظماً وسهل التّنبأ، لكن كلما اتّجهنا نحو الأعلى، يبدأ الدّخان في التّسارع ويفقد استقراره، ويصبح نمط الحركة أشبه بالفوضى. هذا كان مثالاً عمليّاً عن المطبّ الهوائيّ، وتشترك الجريانات المضطربة عموماً بخصائص معيّنة.
Here’s what we do know. Liquids and gases usually have two types of motion: a laminar flow, which is stable and smooth; and a turbulent flow, which is composed of seemingly unorganized swirls. Imagine an incense stick. The laminar flow of unruffled smoke at the base is steady and easy to predict. Closer to the top, however, the smoke accelerates, becomes unstable, and the pattern of movement changes to something chaotic. That’s turbulence in action, and turbulent flows have certain characteristics in common.
أولاً: الاضطراب يكون دوماً فوضويّاً. وهذا أمرٌ مختلفٌ عن العشوائيّة. لكن يعني عوضاً عن ذلك بأن الاضطراب حسّاسٌ جداً لأيّ تدخّل. دفعةٌ صغيرةٌ من أيّ اتجاهٍ كان ستغيّر النّاتج النّهائيّ تماماً. وهو ما يجعل التّنبأ بما سيحدث مستحيلاً، حتى لو توافرت لدينا معلوماتٌ كثيرةٌ عن الوضع الحاليّ للنظام.
Firstly, turbulence is always chaotic. That’s different from being random. Rather, this means that turbulence is very sensitive to disruptions. A little nudge one way or the other will eventually turn into completely different results. That makes it nearly impossible to predict what will happen, even with a lot of information about the current state of a system.
سمة أخرى هامة عن الاضطراب هي اختلاف مقاييس الحركة التي تظهرها هذه التّيارات. لدى التدفقات المضطربة العديد من الالتفافات من مختلف الأحجام ويطلق عليها الدّوامات، وهي دوّاماتٌ من مختلف الأشكال والأحجام. وجميع هذه الدّوّامات ذات الأحجام المتنوعة تتفاعل مع بعضها البعض، وتتفكّك لتصبح أصغر فأصغر إلى أن تتحول الحركة بأكملها إلى طاقةٍ حراريّةٍ، في عمليّة تسمى "سلسلة الطّاقة".
Another important characteristic of turbulence is the different scales of motion that these flows display. Turbulent flows have many differently-sized whirls called eddies, which are like vortices of different sizes and shapes. All those differently-sized eddies interact with each other, breaking up to become smaller and smaller until all that movement is transformed into heat, in a process called the “energy cascade."
وبهذا نستطيع تمييز الاضطراب، لكن ما الذي يؤدّي لحدوثه؟ لكلّ سائلٍ متحرّكٍ أو غازٍ هناك طاقتان متعاكستان: القصور الذاتي والّلزوجة. القصور الذاتي هو قابليّة السوائل للاستمرار بالحركة، وهي ما يسبّب عدم الاستقرار. أما الّلزوجة فهي تعاكس التّفكّك دافعةً التّيار ليكون صفيّحيّاً. في السّوائل الكثيفة كالعسل مثلاً، تكون الكفّة دائماً من نصيب الّلزوجة. أما في المواد الأقل لزوجةً كالماء والهواء فهي تميل أكثر للعطالة، وهو ما يعزّز الاختلال والذي يتطوّر بدوره إلى اضطراب.
So that’s how we recognize turbulence– but why does it happen? In every flowing liquid or gas there are two opposing forces: inertia and viscosity. Inertia is the tendency of fluids to keep moving, which causes instability. Viscosity works against disruption, making the flow laminar instead. In thick fluids such as honey, viscosity almost always wins. Less viscous substances like water or air are more prone to inertia, which creates instabilities that develop into turbulence.
نقوم بحساب موقع الجريان في سلسلة الطّاقة باستخدام شيء يدعى "رقم رينولد"، وهي النّسبة بين عطالة الجريان ولزوجته. كلما ارتفع رقم رينولد، كلّما زاد احتمال حدوث الاضطراب. فمثلاً صبّ العسل في كأس تصل قيمة رينولد الخاصّة به ل1 تقريباً. وبالمقابل فإن العيّنة نفسها من الماء تتمتّع بقيمة رينولد تصل إلى 10,000.
We measure where a flow falls on that spectrum with something called the Reynolds number, which is the ratio between a flow’s inertia and its viscosity. The higher the Reynolds number, the more likely it is that turbulence will occur. Honey being poured into a cup, for example, has a Reynolds number of about 1. The same set up with water has a Reynolds number that’s closer to 10,000.
تساعد قيمة رينولد على فهم السّيناريوهات البسيطة، لكنّها للأسف غير فعالة في العديد من الحالات. على سبيل المثال فإنّ حركة الجو تتأثّر بشدّةٍ بعوامل كالجاذبيّة ودوران الأرض. أو أشياء أبسط نوعاً ما كالاحتكاك بأسطح الأبنية والسّيّارات. وبفضل الأدلّة والتّجارب العمليّة أصبح بإمكاننا نمذجة هذه الحوادث. لكن يسعى علماء الفيزياء للتّنبأ بها باستخدام قوانين ومعادلاتٍ فيزيائيّة تماماً كما نقوم بنمذجة مدارات الكواكب أو المجالات الكهرومغناطيسيّة.
The Reynolds number is useful for understanding simple scenarios, but it’s ineffective in many situations. For example, the motion of the atmosphere is significantly influenced by factors including gravity and the earth’s rotation. Or take relatively simple things like the drag on buildings and cars. We can model those thanks to many experiments and empirical evidence. But physicists want to be able to predict them through physical laws and equations as well as we can model the orbits of planets or electromagnetic fields.
يعتقد معظم العلماء أننا سنحقّق هذا بالاعتماد على الإحصائيّات والقدرات الحاسوبيّة المتزايدة. حيث يمكن لعمليّات محاكاةٍ الكمبيوتر فائقة السرعة للجريان المضطرب أن تساعدنا في التّعرف على أنماط يمكن أن تقود لنظريّة والتي ستجمع وتنظّم توقعاتنا في مختلف الحالات. بينما يعتقد علماءٌ آخرون أن الظّاهرة معقّدةٌ جداً مما يجعل وجود نظريّةٍ واحدةٍ متكاملة كهذه أمراً مستحيلاً.
Most scientists think that getting there will rely on statistics and increased computing power. Extremely high-speed computer simulations of turbulent flows could help us identify patterns that could lead to a theory that organizes and unifies predictions across different situations. Other scientists think that the phenomenon is so complex that such a full-fledged theory isn’t ever going to be possible.
لكنّنا نأمل أن نصل إلى اكتشافٍ جديدٍ، ﻷن الفهم التّام للاضطرابات سيكون له تأثيرٌٌ إيجابيٌّ عظيم. وهذا يشمل مزارع رياحٍ أكثر كفاءةً، والقدرة على الاستعداد بشكلٍ أفضل للكوارث الجويّة، أو حتى القدرة على التّلاعب بالأعاصير وتجنّبها. وبالطبع رحلات أكثر سلاسةً لملايين المسافرين جوّاً. (صوت أزيز)
Hopefully we’ll reach a breakthrough, because a true understanding of turbulence could have huge positive impacts. That would include more efficient wind farms; the ability to better prepare for catastrophic weather events; or even the power to manipulate hurricanes away. And, of course, smoother rides for millions of airline passengers.