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.
Jesteś na pokładzie samolotu, kiedy nagle odczuwasz wstrząs. Za oknem niby nic się nie dzieje, lecz samolot wciąż wstrząsa tobą i resztą pasażerów, poruszając się przez niespokojne powietrze atmosferyczne.
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.
Mimo że to, co zaraz usłyszysz, niekoniecznie cię uspokoi, zjawisko to stanowi jedną z największych tajemnic fizyki. Po ponad wieku badań wpadliśmy tylko na kilka wyjaśnień tego, co się dzieje podczas turbulencji i jak wpływa na otaczający nas świat.
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.
Turbulencje są powszechne i powstają prawie w każdym układzie zawierającym poruszające się płyny, jak ruch powietrza w drogach oddechowych, krew płynąca przez tętnice. A także kawa, którą mieszasz w filiżance. Chmury podlegają turbulencjom, tak jak fale rozbijające się o brzeg i strumienie plazmy na Słońcu. Dokładne zrozumienie tego zjawiska wpłynęłoby na wiele aspektów naszego życia.
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.
Oto, co wiemy. Ciecze i gazy zwykle poruszają się na dwa sposoby: laminarny, który przebiega bez zakłóceń, oraz turbulentny, z pozornie chaotycznymi wirami. Wyobraź sobie kadzidełko. Przepływ laminarny dymu na początku jest stały i przewidywalny, ale wyżej dym przyspiesza, staje się niestabilny, schemat ruchu zamienia się w chaos. Tak wygląda turbulencja, a wszystkie przepływy turbulentne mają pewne cechy wspólne.
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.
Po pierwsze, turbulencja jest zawsze chaotyczna. To nie znaczy, że jest przypadkowa. Oznacza to raczej, że turbulencja jest bardzo wrażliwa na zakłócenia. Malutka ingerencja w jednym lub drugim kierunku doprowadzi ostatecznie do całkowicie odmiennych skutków. To prawie uniemożliwia przewidywanie, co się stanie, nawet z mnóstwem informacji o aktualnym stanie układu.
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."
Inną ważną cechą turbulencji są różne skale ruchu wykazywane przez przepływ. Przepływy turbulentne mają wiele wirów różnych wielkości, które tworzą skupiska o różnych kształtach i rozmiarach. Wszystkie te wiry oddziałują na siebie, rozbijając się na coraz mniejsze wiry, aż cały ten ruch zostanie zamieniony w ciepło w procesie nazywanym kaskadą energii.
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.
Tak stwierdzamy turbulencje, ale czemu w ogóle do nich dochodzi? W każdej przepływającej cieczy lub gazie działają dwie przeciwstawne siły: inercja i lepkość. Inercja to tendencja płynów do poruszania się, co powoduje niestabilność. Lepkość zapobiega zaburzeniom, zmieniając przepływ na laminarny. W gęstych płynach takich jak miód, prawie zawsze wygrywa lepkość. Mniej lepkie woda czy powietrze są bardziej podatne na bezwładność, która powoduje niestabilność rozwijającą się w turbulencję.
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.
Mierzymy, w którym miejscu spektrum znajduje się przepływ, posługując się liczbą Reynoldsa, czyli stosunkiem między inercją a lepkością przepływu. Im wyższa liczba Reynoldsa, tym większe prawdopodobieństwo wystąpienia turbulencji. Na przykład miód wlany do kubka ma liczbę Reynoldsa wynoszącą około 1. Ten sam układ, ale z wodą, ma liczbę Reynoldsa bliższą 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.
Liczba Reynoldsa pomaga przy prostych scenariuszach, lecz w wielu sytuacjach jest nieprzydatna. Przykładowo, na ruch w atmosferze w znacznej mierze wpływa grawitacja i ruch obrotowy Ziemi. Albo weźmy stosunkowo proste rzeczy, jak opór działający na budynki czy auta. Możemy to przedstawić dzięki wielu eksperymentom i dowodom doświadczalnym. Ale fizycy chcą je przewidywać za pomocą praw i równań fizycznych tak samo jak orbity planet czy pola elektromagnetyczne.
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.
Większość naukowców uważa, że będzie to możliwe dzięki statystyce oraz zwiększonej mocy obliczeniowej. Niezwykle szybkie symulacje komputerowe przepływów turbulentnych mogą pomóc zidentyfikować schematy prowadzące do teorii organizującej i ujednolicającej przewidywania w różnych sytuacjach. Inni naukowcy myślą, że zjawisko to jest tak złożone, że tak daleko idąca teoria nigdy nie powstanie.
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.
Miejmy nadzieję, że dojdziemy do przełomu, bo pełne zrozumienie turbulencji może mieć wiele pozytywnych skutków jak budowa wydajniejszych elektrowni wiatrowych, możliwość lepszego przygotowania na kryzysowe sytuacje pogodowe czy nawet umiejętność odpędzania huraganów. I oczywiście, spokojniejsze loty milionów pasażerów linii lotniczych.