Βρίσκεσαι σ' ένα αεροπλάνο όταν ξαφνικά αισθάνεσαι ένα δυνατό κούνημα. Κοιτάς από το παράθυρο και δεν φαίνεται να συμβαίνει τίποτα, ωστόσο το αεροπλάνο συνεχίζει να ταρακουνά εσένα και τους συνεπιβάτες σου, καθώς περνά μέσα από τυρβώδεις δίνες της ατμόσφαιρας.
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.
Αν και αυτό που θα πω δεν θα σας καθησυχάσει, το φαινόμενο αυτό είναι από τα μεγαλύτερα μυστήρια της φυσικής. Μετά από πάνω από έναν αιώνα μελετών σχετικά με την τύρβη εξακολουθούμε να έχουμε ελάχιστες πληροφορίες για το πώς λειτουργεί κι επηρεάζει τον κόσμο γύρω μας.
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.
Ωστόσο η τύρβη βρίσκεται παντού κι εμφανίζεται σε κάθε σύστημα που έχει κινούμενα ρευστά. Όπως ο αέρας που διασχίζει το αναπνευστικό μας σύστημα. Το αίμα που κυλά στις αρτηρίες μας. Και ο καφές που ανακατεύουμε μέσα στην κούπα μας. Η τύρβη κανονίζει την κίνηση των νεφών στον ουρανό, καθώς και τα κύματα που σκάνε στην ακτή και τις ηλιακές εκλάμψεις πλάσματος. Η κατανόηση του ακριβούς μηχανισμού λειτουργίας αυτού του φαινομένου θα επηρέαζε θετικά πολλές πτυχές της ζωής μας.
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.
Να λοιπόν τι γνωρίζουμε μέχρι στιγμής. Τα ρευστά και τα αέρια συνήθως εμφανίζουν δύο τρόπους ροής: Τη στρωτή ροή που είναι σταθερή και ομαλή, και την τυρβώδη ροή που χαρακτηρίζεται από φαινομενικά ανοργάνωτες δίνες. Φανταστείτε τον καπνό ενός αρωματικού στικ. Η στρωτή ροή του καπνού κοντά στη βάση είναι ομαλή κι εύκολα προβλέψιμη. Κοντά στην κορφή, ωστόσο, ο καπνός επιταχύνεται και γίνεται ασταθής, και η κίνησή του γίνεται κάπως χαοτική. Αυτή είναι η τυρβώδης ροή. Οι ροές σαν κι αυτήν έχουν ορισμένα κοινά χαρακτηριστικά.
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.
Πρώτα, η τύρβη είναι πάντα χαοτική. Αυτό διαφέρει από το να την πούμε τυχαία και σημαίνει πως η τυρβώδης ροή είναι πολύ ευαίσθητη στις αλλαγές. Μια μικρή παρέμβαση εδώ κι εκεί, τελικά θα επιφέρει πολύ διαφορετικά αποτελέσματα. Αυτό καθιστά την πρόβλεψή τους σχεδόν αδύνατη, ακόμα κι αν έχουμε πληθώρα πληροφοριών για την παρούσα κατάσταση ενός συστήματος.
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.
Ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό της τύρβης είναι οι διαφορετικές κλίμακες κίνησης που εμφανίζουν αυτές οι ροές. Οι τυρβώδεις ροές αποτελούνται από πολλαπλές δίνες διαφόρων μεγεθών, που είναι σαν στρόβιλοι σε διάφορα μεγέθη και μορφές. Όλες αυτές οι δίνες αλληλοεπιδρούν μεταξύ τους και διασπώνται σε ολοένα και μικρότερες δίνες, έως ότου όλη αυτή η κίνηση μετατραπεί σε θερμότητα, σε μια διαδικασία που ονομάζεται «ενεργειακός καταρράκτης».
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."
Έτσι λοιπόν αναγνωρίζουμε την τύρβη. Γιατί όμως συμβαίνει; Σε κάθε κινούμενο ρευστό επιδρούν δύο διαφορετικές δυνάμεις. Η δύναμη της αδράνειας και του ιξώδους. Η αδράνεια είναι η τάση των υγρών και αερίων να ρέουν συνεχώς, και η οποία προκαλεί αστάθεια. Το ιξώδες λειτουργεί κατά των διαταραχών και κάνει τη ροή στρωτή. Σε παχύρευστα υλικά σαν το μέλι, το ιξώδες σχεδόν πάντα υπερτερεί. Λιγότερο παχύρευστα υλικά, όπως το νερό και ο αέρας, τείνουν προς την αδράνεια, η οποία δημιουργεί αστάθεια που εξελίσσεται εντέλει σε τύρβη.
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.
Κατηγοριοποιούμε τις ροές μέσα σ' αυτό το εύρος με κάτι που ονομάζουμε αριθμό Ρέινολντς. Είναι ο λόγος των δυνάμεων της αδράνειας μιας ροής προς το ιξώδες της. Όσο πιο μεγάλος ο αριθμός Ρέινολντς, τόσο περισσότερες οι πιθανότητες να εμφανιστεί τύρβη. Το μέλι π.χ. που ρέει σ' ένα ποτήρι έχει αριθμό Ρέινολτς ίσο με τη μονάδα. Εάν αντί για μέλι χρησιμοποιήσουμε νερό ο αριθμός αυτός γίνεται 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.
Ο αριθμός Ρέινολντς μας διευκολύνει να καταλάβουμε τα απλά σενάρια, μα σε πολλές περιπτώσεις είναι αναποτελεσματικός. Για παράδειγμα, η κίνηση της ατμόσφαιρας επηρεάζεται σημαντικά από παράγοντες όπως η βαρύτητα και η περιστροφή της Γης, ακόμα και απλώς από την αντίσταση του αέρα σε κτίρια κι αυτοκίνητα. Χάρη σε πειράματα ή εμπειρική γνώση μπορούμε να τα μοντελοποιήσουμε όλα αυτά. Όμως οι φυσικοί προτιμούν να τα προβλέπουν με φυσικούς νόμους κι εξισώσεις, όπως τα κατάφεραν με την τροχιά των πλανητών και τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία.
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.
Οι περισσότεροι επιστήμονες πιστεύουν ότι θα το καταφέρουμε με τη στατιστική και την αυξημένη υπολογιστική δύναμη. Μέθοδοι προσομοίωσης από τυρβώδεις ροές σε υπερταχύτατους υπολογιστές ίσως οδηγήσουν στην αναγνώριση μοτίβων κι έπειτα στη δημιουργία μιας θεωρίας που να οργανώνει και να ενοποιεί τις προβλέψεις διαφορετικών περιπτώσεων. Άλλοι επιστήμονες πιστεύουν πως πρόκειται για τόσο περίπλοκο πρόβλημα, που μία τόσο ολοκληρωμένη θεωρία δεν θα μπορέσει ποτέ να υπάρξει.
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.
Ευελπιστούμε τελικά να σημειώσουμε σημαντική πρόοδο, γιατί η πλήρης κατανόηση της τύρβης θα έχει τρομερά ωφέλη. Θα οδηγήσει σε πιο αποδοτικές ανεμογεννήτριες. Θα μας βοηθήσει να προλαμβάνουμε τις καταστροφές από καιρικά φαινόμενα ή ίσως ακόμα και να τις ελέγχουμε. Και, φυσικά, θα οδηγήσει σε πιο ήρεμες πτήσεις για εκατομμύρια επιβάτες.
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.