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.
Kamu sedang berada di pesawat lalu tiba-tiba merasakan goncangan. Tampak tidak ada yang terjadi di luar jendela, namun pesawat tetap membuat kamu dan penumpang lainnya khawatir saat melewati turbulensi udara di atmosfer.
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.
Walaupun info ini tidak akan membuatmu lebih tenang, fenomena ini merupakan misteri umum dalam fisika. Setelah mempelajari turbulensi lebih dari satu abad, kita baru menemukan beberapa jawaban tentang bagaimana ia terjadi dan memengaruhi dunia sekitar kita.
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.
Lagi pula, turbulensi ada di mana-mana, muncul hampir di semua sistem yang berkaitan dengan fluida bergerak. Termasuk juga aliran udara di dalam saluran pernapasanmu. Darah yang mengalir melalui arterimu. Juga kopi di dalam cangkirmu, ketika kamu mengaduknya. Awan dikendalikan oleh turbulensi, sebagaimana ombak menabrak tepi pantai dan semburan plasma pada matahari. Memahami dengan tepat bagaimana fenomena ini terjadi akan memiliki pengaruh pada berbagai aspek kehidupan.
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.
Berikut hal-hal yang diketahui. Cairan dan gas biasanya mempunyai dua tipe pergerakan: aliran laminar, yang bersifat stabil dan lancar; dan aliran turbulen, yang terdiri dari pusaran yang tidak terorganisir. Bayangkan sebuah batang dupa. Aliran laminar dari asap yang tenang pada bagian dasar bersifat tetap dan mudah diprediksi. Namun, semakin dekat ke atas, asap semakin cepat, dan menjadi tidak stabil, serta terjadi perubahan pola pergerakan menjadi berantakan. Seperti itulah terjadinya turbulensi, dan setiap aliran turbulen memiliki kesamaan karakteristik tertentu.
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.
Pertama, turbulensi selalu kacau. Hal ini berbeda arti dengan random. Ini berarti turbulensi sangat sensitif terhadap gangguan. Sedikit dorongan dari satu atau lain sisi akan menyebabkan hasil yang sangat berbeda. Inilah yang membuat hampir tidak mungkin memprediksikan apa yang akan terjadi, bahkan dengan banyak informasi mengenai keadaan terkini suatu sistem.
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."
Karakteristik penting lain dari turbulensi adalah aliran ini menunjukkan skala pergerakan yang berbeda. Aliran turbulen memiliki banyak pusaran yang berbeda ukuran, yang disebut <i>eddy</i>, seperti vorteks yang terdiri dari ukuran dan bentuk berbeda-beda. Semua <i>eddy</i> yang berbeda ukuran itu berinteraksi satu sama lain, terpecah menjadi lebih kecil dan lebih kecil lagi hingga semua pergerakan berubah menjadi panas, dalam proses yang disebut "kaskade energi".
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.
Begitulah cara kita mengenali turbulensi. Namun, mengapa turblensi terjadi? Pada setiap cairan atau gas bergerak terdapat dua gaya berlawanan: inersia dan viskositas. Inersia adalah kecenderungan fluida untuk tetap bergerak, yang menyebabkan ketidakstabilan. Viskositas bekerja melawan gangguan, membuat aliran menjadi laminar. Pada fluida kental seperti madu, viskositas hampir selalu menang. Zat berviskositas yang lebih kecil, seperti air dan udara, lebih rentan terhadap inersia, yang menciptakan ketidakstabilan yang berkembang menjadi turbulensi.
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.
Kita mengukur sifat suatu aliran di antara spektrum tersebut menggunakan nilai yang disebut angka Reynolds, yang merupakan perbandingan antara inersia dan viskositas aliran. Semakin tinggi angka Reynolds, semakin besar kemungkinan turbulensi terjadi. Sebagai contoh, madu yang dituangkan ke cangkir, memiliki angka Reynolds sekitar 1. Air yang diperlakukan sama memiliki angka Reynolds mendekati 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.
Angka Reynolds berguna untuk memahami skenario sederhana, namun tidak efektif pada kebanyakan situasi. Sebagai contoh, pergerakan atmosfer dipengaruhi secara signifikan oleh banyak faktor seperti gravitasi dan rotasi bumi. Atau ambil contoh sederhana seperti hambatan pada bangunan dan mobil. Berkat eksperimen dan bukti empiris, kita dapat membuat modelnya. Namun, fisikawan ingin bisa memprediksinya melalui hukum fisika dan persamaan sebagaimana kita dapat memodelkan orbit planet atau medan elektromagnetis.
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.
Kebanyakan ilmuwan menduga bahwa untuk mencapainya akan bergantung pada statistik dan peningkatan daya komputer. Simulasi aliran turbulen pada komputer berkecepatan sangat tinggi dapat membantu kita mengidentifikasi pola yang dapat disimpulkan menjadi suatu teori yang mengatur dan menyatukan prediksi pada situasi berbeda. Ilmuwan lain berpendapat bahwa fenomena itu terlalu rumit sehingga tidak akan mungkin terdapat satu teori yang lengkap.
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.
Semoga kita dapat mencapai terobosan, karena pemahaman turbulensi yang tepat dapat memiliki dampak positif besar Termasuk ladang turbin angin yang lebih efisien; kemampuan untuk persiapan cuaca ekstrem yang lebih baik; atau bahkan kekuatan untuk menjauhkan angin topan. Dan tentunya, perjalanan yang lebih mulus untuk jutaan penumpang pesawat.