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.
אתם במטוס כשאתם מרגישים טלטול פתאומי. מחוץ לחלון לא נראה שמשהו מתרחש, ועדיין המטוס ממשיך לטלטל אתכם ואת שאר הנוסעים כשהוא עובר דרך מערבולת אויר באטמוספירה.
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.
למרות שזה לא ינחם אתכם לשמוע, התופעה היא אחת מהתעלומות המתמשכות בפיזיקה. אחרי יותר ממאה שנה של חקר מערבולות, העלנו רק מספר קטן של תשובות לאיך הן עובדות ומשפיעות על העולם סביבנו.
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.
ועדיין, מערבולות מאוד נפוצות, ומופיעות כמעט בכל מערכת שיש בה נוזלים נעים. זה כולל את הזרימה במערכת הנשימה שלכם. הדם שנע דרך העורקים שלכם. והקפה בכוס שלכם, כשאתם מערבבים אותו. עננים נשלטים על ידי מערבולות, כמו גם גלים שמתרסקים לאורך החוף ומשבי הפלאזמה בשמש שלנו. הבנה בדיוק איך התופעה הזו עובדת תתן כיוון לכל כך הרבה פנים בחיינו.
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.
הנה מה שאנחנו יודעים. לנוזלים וגזים יש בדרך כלל שני סוגי תנועה: זרימה למינרית, שהיא יציבה וחלקה; וזרימה מערבולתית, שמורכבת ממערבולות שנראות לא מאורגנות. דמיינו מקל קטורת. הזרימה הלמינרית של עשן לא מופרע בבסיס היא קבועה וקלה לחיזוי. קרוב יותר לחלק העליון עם זאת, העשן מאיץ, הופך ללא יציב, ותבנית התנועה משתנה למשהו כאוטי. זו מערבולת בפעולה, ולזרמים מערבלותיים יש מספר תכונות במשותף.
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.
ראשית, מערבולת היא תמיד כאוטית. זה שונה מלהיות אקראי. במקום, זה אומר שמערבולת מאוד רגישה להפרעות. דחיפה קלה לכיוון כלשהו תיתן לבסוף תוצאה שונה לגמרי. זה הופך את זה לכמעט בלתי אפשרי לחזות מה יקרה, אפילו עם הרבה מידע בנוגע למצב הנוכחי של המערכת.
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."
תכונה חשובה נוספת של מערבולת היא קני המידה השונים של התנועה שהזרמים האלה מציגים. לזרמים מערבולתיים יש הרבה גדלים שונים של מערבולות, שהן כמו מערבולות בגדלים וצורות שונות. כל המערבולות בגדלים שונים האלו משפיעות אחת על השניה, נשברות והופכות לקטנות יותר ויותר עד שהתנועה הזו הופכת לחום, בתהליך שנקרא "מפל אנרגיה."
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.
אז כך אנחנו מזהים מערבולות -- אבל למה הן מתרחשות? בכל נוזל זורם או גז יש שני כוחות מנוגדים: אינרציה וצמיגות. אינרציה היא הנטיה של נוזלים להמשיך לנוע, מה שגורם לחוסר יציבות. צמיגות עובדת נגד ההפרעה, מה שהופך את הזרימה ללמינרית במקום. בנוזלים סמיכים כמו דבש, צמיגות כמעט תמיד מנצחת. חומרים פחות סמיכים כמו מים או אויר יותר מועדים לאינרציה, מה שיוצר חוסר יציבות שמתפתחת למערבולת.
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.
אנחנו מודדים לאן נוזל מתאים במנעד הזה עם משהו שנקרא מספר ריינולדס. שהוא היחס בין האינרציה של זרימה והצמיגות שלה. ככל שמספר ריינולדס גבוה יותר, יש סבירות גבוהה יותר שמערבולות יתרחשו. לדבש שנשפך לתוך כוס, לדוגמה, יש מספר ריינולדס של בערך 1. אותו מצב עם מים נותן מספר ריינולדס קרוב יותר ל 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.
מספר ריינולדס מועיל להבנת תרחישים פשוטים, אבל הוא לא אפקטיבי בהרבה מצבים. לדוגמה, התנועה של האטמוספירה מושפעת משמעותית על ידי גורמים שכוללים כבידה וסיבוב כדור הארץ. או קחו דברים פשוטים יחסית כמו גרר על בניינים ומכוניות. אנחנו יכולים למדל את אלה תודות להרבה ניסויים ועדויות אמפיריות. אבל פיזיקאים רוצים להיות מסגלים לחזות אותם דרך חוקים פיזיקלים ומשוואות כמו שאנחנו יכולים למדל את המסלולים של פלנטות או שדות אלקטרומגטיים.
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.
רוב המדענים חושבים שלהגיע לשם יצריך הסתמכות על סטטיסטיקה וכוח מחשוב גדול יותר. סימולציות במחשבים ממש מהירים של זרמים מערבולתיים יכולים לעזור לנו לזהות תבניות שיכולות להוביל לתאוריה שמארגנת ומאחדת תחזיות לרוחב מצבים שונים. מדענים אחרים חושבים שהתופעה כה מורכבת שתאוריות מקיפות כאלו לעולם לא יהיו אפשריות.
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.
אנו מקווים להגיע לפריצת דרך, בגלל שלהבנה אמיתית של מערבולות יוכלו להיות השפעות חיוביות אדירות. זה יכלול חוות רוח יעילות יותר; היכולת להתכונן טוב יותר לארועי מזג אויר קטסטרופליים; או אפילו הכוח להשפיע על הוריקנים ולהרחיק אותם. וכמובן, טיסות חלקות יותר למליוני נוסעים במטוסים.