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.
Sei su un aereo quando senti un improvviso scossone. Fuori dal tuo finestrino sembra non stia succedendo nulla eppure l'aereo continua a scuotere te e i tuoi compagni di viaggio passando nell'aria turbolenta dell'atmosfera.
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.
Sebbene potrebbe non consolarti sentirlo, questo fenomeno è uno dei principali misteri della fisica. Dopo più di un secolo di studi sulla turbolenza, abbiamo dato solo alcune risposte su come funziona e influenza il mondo intorno a noi.
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.
Eppure, la turbolenza è onnipresente, e spunta praticamente in ogni sistema con dei fluidi in movimento. Questo include il flusso d'aria nell'apparato respiratorio. Il sangue che si muove attraverso le arterie. E il caffè nella tazzina, quando si mescola. Le nuvole sono governate dalla turbolenza, come lo sono le onde che si infrangono sulla costa e le raffiche di plasma nel nostro sole. Comprendere esattamente come funziona questo fenomeno avrebbe una ripercussione su tanti aspetti della nostra vita.
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.
Ecco ciò che sappiamo. Liquidi e gas di solito hanno due tipi di moto: un flusso laminare, che è stabile e tranquillo; e un flusso turbolento, che è composto di vortici apparentemente disordinati. Immagina un bastoncino di incenso. Il flusso laminare di fumo liscio alla base è stabile e facile da predire. Tuttavia, nella parte più alta il fumo accelera, diventa instabile, e l'andamento del moto cambia in qualcosa di caotico. Questa è la turbolenza in azione, e i flussi turbolenti hanno certe caratteristiche in comune.
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.
Prima di tutto, la turbolenza è sempre caotica. Che è diverso dall'essere casuale. Piuttosto, significa che la turbolenza è molto sensibile alle perturbazioni. Una spintarella in un senso o nell'altro porterà a risultati completamente diversi. Questo rende praticamente impossibile predire cosa succederà, persino con molte informazioni sullo stato attuale del 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."
Un'altra caratteristica importante della turbolenza sono le diverse dimensioni di moto che mostrano questi flussi. I flussi di turbolenza hanno molti mulinelli di dimensioni differenti chiamati "vortici", vortici di dimensione e forma diverse. Tutti questi vortici di dimensioni diverse interagiscono l'uno con l'altro, rompendosi per diventare sempre più piccoli fino a che tutto questo movimento è trasformato in calore, in un processo chiamato la "cascata di energia".
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.
Ecco come riconosciamo la turbolenza. Ma perché si verifica? In ogni liquido o gas che scorre ci sono due forse opposte: l'inerzia e la viscosità. L'inerzia è la tendenza dei fluidi a continuare a muoversi, il che causa instabilità. La viscosità contrasta le perturbazioni, rendendo il flusso laminare. In liquidi densi come il miele, la viscosità vince quasi sempre. Sostanze meno viscose come l'acqua o l'aria sono più soggette all'inerzia, che crea le instabilità che evolvono nella turbolenza.
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.
Si misura dove è posizionato un fluido in questo spettro con qualcosa chiamato il numero di Reynolds, che è il rapporto tra l'inerzia di un fluido e la sua viscosità. Più grande è il numero di Reynolds, più è probabile che si verifichi una turbolenza. Il miele versato in una tazza, ad esempio, ha un numero di Reynolds pari ad 1. La stessa situazione con l'acqua ha un numero di Reynolds che è vicino a 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.
Il numero di Reynolds è utile per comprendere semplici scenari, ma è inefficace in molte situazioni. Ad esempio, il movimento dell'atmosfera è influenzato in modo significativo da fattori che includono la gravità e la rotazione della terra. Oppure considera cose relativamente semplici come la resistenza aerodinamica dei palazzi e delle macchine.
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.
Possiamo fare dei modelli grazie a molti esperimenti e prove empiriche. Ma i fisici vogliono essere in grado di prevederli attraverso leggi fisiche ed equazioni, così come siamo in grado di modellare le orbite dei pianeti e i campi elettromagnetici.
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.
Molti scienziati pensano che per arrivarci si farà affidamento sulla statistica e sull'aumento della potenza di calcolo. Simulazioni di flussi di turbolenza su computer estremamente veloci potrebbero aiutarci a identificare schemi che potrebbero portare a una teoria che organizzi e unifichi le predizioni attraverso situazioni diverse. Altri scienziati pensano che il fenomeno sia talmente complesso che una teoria così completa non potrà mai essere possibile.
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.
Speriamo di giungere a una scoperta, perché una vera comprensione della turbolenza potrebbe avere enormi impatti positivi, che potrebbero comprendere parchi eolici più efficienti; la possibilità di prepararsi meglio a eventi atmosferici catastrofici; o persino il potere di controllare gli uragani a distanza. E naturalmente, voli più tranquilli