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.
A repülőben ülve hirtelen rántást érzünk. Az ablakon kinézve kinn semmi különös sem látszik, de a repülő mégis rángatja az utasokat, amint turbulens légáramlaton halad át.
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.
Noha ez nem megnyugtató, a jelenség a fizika egyik régóta megoldatlan rejtélye. Több mint egy évszázada tanulmányozzuk a turbulenciát, de csak pár választ leltünk arra, hogyan is működik, és hogyan hat környezetünkre.
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.
Ám a turbulencia mindenütt jelen van, bármely áramló közeget tartalmazó rendszerben előbukkan, többek közt légútjaink levegőáramában, ütőereink véráramában, csészénkben kavargatott kávénkban is. A felhőket turbulenciák igazgatják, akárcsak partokat csapkodó hullámokat vagy a napszél plazmaáramát. A jelenség pontos megértése kihatással lenne életünk megannyi területére.
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.
Egyelőre ezt tudjuk róla. A folyadékok és gázok kétféleképpen mozognak: lamináris áramlással, amely egyenletes és akadálytalan, és turbulens áramlással, amely részben szabálytalan örvényekből áll. Képzeljünk el egy füstölőpálcát. A tövénél lévő háborítatlan füst lamináris árama nyugodt, viselkedése megjósolható. Ám a csúcsához közelebb a füst fölgyorsul, labilissá lesz, és mozgása kaotikussá válik. Ez működés közben a turbulencia. A turbulens áramlásnak van pár jellemző tulajdonsága.
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.
Először: a turbulencia mindig kaotikus. Ez nem azt jelenti, hogy véletlenszerű, hanem azt, hogy nagyon érzékeny a zavarásokra. Bármilyen irányú kis ráhatás a végén teljesen különböző eredményekre vezethet. Ezért szinte kiszámíthatatlan, hogy mi fog történni, még a rendszer jelenlegi állapotának ismeretében is.
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."
A turbulencia másik jellemzője, hogy az áramlat mozgásának léptéke eltérő. A turbulens áramlatokban különböző nagyságú örvények és forgatagok vannak, ezek más-más méretű és alakú tölcsérekre hasonlítanak. Az örvények kölcsönhatásba lépnek egymással, fokozatosan szétesnek, egyre kisebbekké válnak mindaddig, míg az összes kinetikus energia hővé nem alakul az ún. energetikai kaszkádfolyamat során.
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.
Erről ismerszik meg a turbulencia. De miért keletkezik? Minden áramló folyadékra vagy gázra két ellentétes erő hat: a tehetetlenség és a viszkozitás. A tehetetlenség a folyadékok törekvése mozgásállapotuk megtartására, amely labilitást okoz. A viszkozitás a változással szembeni ellenálló képesség, amely eközben lamináris mozgást hoz létre. A mézszerű sűrű folyadékokban majdnem mindig a viszkozitás a döntő. A kevésbé viszkózus közegek, pl. a víz vagy levegő esetén a tehetetlenség döntő, amely turbulenciába forduló labilitást okoz.
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.
Hogy az áramlást melyik állapot jellemzi, azt a Reynolds-számmal adjuk meg; ez az áramlat tehetetlenségi erőinek és viszkózus erőinek aránya. Minél nagyobb a Reynolds-szám, annál valószínűbb, hogy turbulens mozgás jön létre. Pl. a csészébe öntött méz Reynolds-száma körülbelül 1-gyel egyenlő. Víz esetén a Reynolds-szám nagyságrendileg 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.
A Reynolds-szám egyszerű jelenségekre jól használható, de más esetekre kevéssé hasznos. Pl. a légkör mozgására jelentősen hat a gravitáció és a Föld forgása. Vagy pl. vegyük az épületek vagy autók viszonylag egyszerű légellenállását. Ezek a körülmények kísérletek és empirikus adatok alapján modellezhetők. De fizikusok törvényekkel s egyenletekkel szeretnék megjósolni viselkedésüket, ahogy az elektromágneses tereket vagy a bolygók pályáját modellezzük.
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.
A legtöbb kutató úgy véli, hogy ehhez statisztikai adatokra és nagyobb teljesítményű számítógépekre van szükség. A turbulens áramlások szuperszámítógépes szimulációja hozzájárulhat a törvényszerűségek megállapításához, amelyek rendszereznék s egységbe foglalnák az egyes helyzetek prognózisait. Más tudósok szerint a jelenség annyira összetett, hogy átfogó elméletben nem reménykedhetünk.
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.
Remélhetőleg azért áttörést érhetünk el, mert a turbulencia teljes megértése előnyös hatással járhat. Ezek közé tartoznak a hatékonyabb szélerőművek, a katasztrofális időjárásra való jobb felkészülés, vagy az orkánok elhárítása is. És persze, a milliónyi repülőgéputas simább utazása is.