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.
Estás en un avión y de pronto sientes un sacudón repentino. Por fuera de la ventana no parece que ocurriera nada, sin embargo, el avión sigue sacudiéndote tanto a ti como a tus compañeros de viaje al pasar por un flujo de aire turbulento en la atmósfera.
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.
Aunque no te consuele saberlo, este fenómeno sigue siendo uno de los grandes misterios de la física. Después de más de un siglo de estudiar la turbulencia, solo se han encontrado pocas respuestas sobre cómo funciona y afecta al mundo que nos rodea.
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.
Y sin embargo, la turbulencia es ubicua, y se observa en prácticamente casi todos los sistemas de fluidos en movimiento. Eso incluye el flujo de aire en nuestro tracto respiratorio, la sangre que circula por nuestras arterias, y también el café de tu taza, cuando lo revuelves. Las nubes están gobernadas por la turbulencia, así como las olas que rompen en la costa y las ráfagas de plasma en nuestro sol. Entender con precisión cómo funciona este fenómeno influiría en muchos aspectos de nuestra vida.
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.
Esto es lo que se sabe: los líquidos y los gases suelen tener dos tipos de movimiento, un flujo laminar, que es estable y suave, y un flujo turbulento, que se compone de remolinos aparentemente desorganizados. Imagina una varilla de incienso. El flujo laminar de humo en la base es constante y fácil de predecir. No obstante, al acercarse a la punta, el humo acelera, se vuelve inestable, y el patrón de movimiento se vuelve caótico. Eso es la turbulencia en acción. Los flujos turbulentos tienen ciertas características en común.
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.
En primer lugar, la turbulencia es siempre caótica. Eso es diferente de ser aleatoria. Significa, más bien, que la turbulencia es muy sensible a las perturbaciones. Un pequeño empujón hacia un lado o el otro dará resultados completamente diferentes. Eso hace que sea casi imposible predecir lo que sucederá, incluso con mucha información sobre el estado actual de un sistema.
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."
Otra característica importante de la turbulencia son las diferentes escalas de movimiento que se observa en estos flujos. Los flujos turbulentos tienen remolinos de distintos tamaños llamados torbellinos, que son como vórtices de diferentes tamaños y formas. Todos esos vórtices de distintos tamaños interactúan entre sí, y se desintegran volviéndose cada vez más pequeños hasta que todo ese movimiento se transforma en calor, en un proceso llamado la "cascada de energía".
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.
Así se reconoce a una turbulencia. ¿Y por qué sucede? Todo líquido o gas que fluye tiene dos fuerzas opuestas: la inercia y la viscosidad. La inercia es la tendencia de los fluidos a mantenerse en movimiento, lo que provoca inestabilidad. La viscosidad trabaja contra la perturbación, transformando al flujo en laminar. En los fluidos espesos como la miel, casi siempre gana la viscosidad. Las sustancias menos viscosas como el agua o el aire son más propensas a la inercia, lo que crea inestabilidades que se convierten en turbulencias.
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.
Medimos al flujo en ese espectro con lo que llamamos el número de Reynolds, que es la relación entre la inercia de un flujo y su viscosidad. Cuanto mayor sea el número de Reynolds, más probable es que se produzcan turbulencias. La miel vertida en una taza, por ejemplo, tiene un número de Reynolds de aproximadamente 1. La misma configuración con agua tiene un número de Reynolds de casi 10 000.
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.
El número de Reynolds sirve para entender ejemplos sencillos, pero es ineficaz en muchas situaciones. Por ejemplo, el movimiento de la atmósfera está influenciado de manera significativa por factores que incluyen la gravedad y la rotación de la Tierra. O si tomamos algo relativamente sencillo como el arrastre en edificios y autos, esos se pueden modelar gracias a muchos experimentos y evidencia empírica. Pero los físicos quieren poder predecirlos a través de leyes y ecuaciones físicas, así como podemos modelar las órbitas de los planetas o campos electromagnéticos.
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.
La mayoría de los científicos piensan que eso dependerá de las estadísticas y de una mayor potencia de cómputo. Las simulaciones informáticas de flujos turbulentos a velocidades sumamente altas podrían ayudarnos a identificar patrones que podrían conducir a una teoría que organice y unifique predicciones en situaciones diferentes. Otros científicos piensan que el fenómeno es tan complejo que una teoría tan completa nunca será posible.
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.
Esperemos que logremos un gran avance, porque comprender bien la turbulencia podría tener un gran impacto. Eso incluiría parques eólicos más eficientes, la capacidad de prepararse mejor para eventos meteorológicos catastróficos, o incluso el poder de manipular huracanes para que se vayan. Y, por supuesto, viajes más suaves para millones de pasajeros aéreos.