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.
飛行機に乗っていると 突然揺れを感じます 窓の外を見ると 何事もないようですが 飛行機が乱気流を 通っている間ずっと 自分も他の乗客も 揺られ続けます
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.
こう言うと不安に感じる かもしれませんが この現象は物理学における 大きな謎の1つなのです 乱流については百年以上 研究されていますが それがどう起き どんな影響を及ぼしているのか わずかなことしか 分かっていません
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.
それでいて乱流は どこにでもあり 基本的に動く流体を含む あらゆる系において生じます 気道内の空気の流れにも 血管を流れる血液にも 混ぜたときのカップの中の コーヒーにも 乱流に支配されているものには 雲や 海岸に打ち寄せる波や 太陽で吹き上がる プラズマもあります この現象を正確に理解できれば 私達の生活の様々な面で 実りがあることでしょう
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.
まず分かっている ことですが 液体や気体には 2種類の動きがあります 安定した なめらかな層流と 乱れた渦の集まりのような 乱流です 線香を考えてみてください 下の方の乱れのない煙の層流は 安定していて予測しやすいですが 上の方にいくと 煙が動きを増し 不安定で 動きのパターンが カオス的に変化します それが乱流です 乱流に共通する性質が いくつかあります
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.
まず乱流は 常にカオス的です これはランダムとは 違います 乱流は乱れに対し とても敏感なのです わずかな刺激を 与えることで まったく異なる結果になり 系の現在の状態について 多くの情報があったとしても 今後どうなるか予測するのは ほとんど不可能です
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."
乱流のもう1つ重要な性質は 規模の異なる動きが 見られることです 乱流の中には 多くの渦があり その大きさや形は 様々です それら大小の渦が 互いに作用し合い 分裂して 小さな渦になっていき エネルギーカスケードと 呼ばれる過程で 動きが熱へと変わります
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.
乱流はそのように 特徴付けられますが ではなぜ それは 起きるのでしょう? 流れる液体や気体には 慣性と粘性という 2つの相反する力が働きます 慣性は流体の持つ 流れ続けようとする傾向で 不安定さを生みます 粘性は乱れを 抑えるように働き 流れを層流に近づけます 蜂蜜のような密度の高い流体では 粘性が強く働きます 水や空気のような粘度の低い物質では 慣性が強く働き 乱流を引き起こす 不安定さを生じます
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.
流れがどちら寄りかは 慣性力と粘性力の比である 「レイノルズ数」で表されます レイノルズ数が大きいほど 乱流が起きやすくなります たとえばコップに 注がれる蜂蜜は レイノルズ数が 1くらいです それが水の場合 レイノルズ数は1万近くになります
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.
レイノルズ数は単純な状況の 理解には役立ちますが 多くの状況の理解には 不十分です たとえば大気の動きの場合 重力や地球の自転といった要因によって 大きな影響を受けます 建物や車の空気抵抗のような 比較的単純なものについては 多くの実験結果や経験的事実から モデルを作れます しかし物理学者は 惑星軌道や電磁場の モデルを作れるように 乱流も物理法則と方程式で 予測できることを望んでいます
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.
そのためには 統計学と 強力なコンピューターの力に 頼ることになると 多くの科学者は考えています 乱流の超高速 シミュレーションによって 異なる状況での予測を 整理統合する理論へと繋がる パターンを見出せる かもしれないと 一方で この現象はあまりに複雑で そのような網羅的な理論を作り出すことは 不可能と考える科学者もいます
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.
乱流を真に理解できれば 大きな利益があるので 進展があることを 望むばかりです より効率的な風力発電所や 破壊的な気象現象への対策 ハリケーンを逸らすことさえ できるかもしれず それに もちろん 快適な 空の旅というのもあります