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.
Estamos num avião e, de repente, sentimos um abanão. Pela janela. parece que nada acontece lá fora, mas o avião continua a sacudir todos os passageiros enquanto passa por uma turbulência na 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.
Embora isto possa não nos tranquilizar, este fenómeno é um dos grandes mistérios da Física. Depois de mais de cem anos a estudar a turbulência só conseguimos arranjar algumas respostas para o seu funcionamento e a forma como afeta o mundo à nossa volta.
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.
Mas a turbulência existe em toda a parte, surgindo praticamente em qualquer sistema que tenha fluidos em movimento. Isso inclui o fluxo de ar no nosso trato respiratório; o sangue que se move pelas nossas artérias; e o café na chávena, quando o mexemos. As nuvens são governadas por turbulência, assim como as ondas que rebentam na praia e as rajadas de plasma no Sol. Perceber exatamente como funciona este fenómeno teria influência em muitos aspetos da nossa vida.
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.
Mas só sabemos isto. Os líquidos e os gases têm habitualmente dois tipos de movimento: um fluxo laminar, que é estável e suave; e um fluxo turbulento, que é formado por redemoinhos aparentemente desorganizados. Imaginem um pau de incenso. O fluxo laminar de fumo tranquilo na base é contínuo e fácil de prever. Mas, mais perto do topo, o fumo acelera, torna-se instável e o padrão do movimento muda para uma coisa caótica. É a turbulência em ação. Os fluxos turbulentos têm certas características em comum.
Firstly, turbulence is always chaotic. That’s different from being random. Rather, this means that turbulence is very sensitive to disruptions.
Primeiro, a turbulência é sempre caótica. É uma coisa diferente de ser aleatória. Pelo contrário, isto significa
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.
que a turbulência é muito sensível a perturbações. Um pequeno toque, deste ou daquele modo, acabará por ter resultados totalmente diferentes. Isso torna quase impossível prever o que vai acontecer, mesmo com muitas informações sobre o estado atual de um 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."
Outra característica importante da turbulência são as diferentes escalas de movimento que estes fluxos exibem. Os fluxos turbulentos têm redemoinhos de muitas dimensões diferentes chamados turbilhões que são como vórtices de diferentes tamanhos e formas. Todos esses turbilhões de diferentes tamanhos, interagem uns com os outros, tornando-se cada vez mais pequenos até todo o movimento se transformar em calor num processo chamado a "cascata de 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.
É assim que reconhecemos a turbulência — mas porque é que ela acontece? Em todos os fluxos de líquidos ou gases há duas forças opostas, a inércia e a viscosidade. A inércia é a tendência de os fluidos continuarem em movimento o que causa instabilidade. A viscosidade funciona contra essa instabilidade, tornando o fluxo laminar. Nos fluidos espessos, como o mel, a viscosidade ganha quase sempre. Substâncias menos viscosas, como a água ou o ar, são mais propensas à inércia, o que cria instabilidades que evolui em turbulência.
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.
Medimos a altura em que um fluxo cai nesse espetro, com uma coisa chamada o número de Reynolds que é o rácio entre a inércia de um fluxo e a sua viscosidade. Quanto mais alto for o número de Reynolds, mais provável é que ocorra turbulência O mel, ao ser deitado numa chávena, por exemplo, tem um número de Reynolds de cerca de 1. A água, na mesma situação, tem um número de Reynolds perto de 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.
O número de Reynolds é útil para compreender cenários simples, mas é ineficaz em muitas situações. Por exemplo, o movimento da atmosfera é significativamente influenciado por fatores que incluem a gravidade e a rotação da Terra ou por coisas relativamente simples como a fricção em edifícios e carros. Podemos fazer modelos disso graças a muitas experiências e indícios empíricos. Mas os físicos querem poder prevê-los, por meio de leis físicas e equações tal como podemos fazer modelos das órbitas dos planetas ou campos eletromagnéticos.
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 maioria dos cientistas pensam lá chegar, através das estatísticas, e da potência acrescida dos computadores. Simulações de fluxos de turbulência feitas em computadores de altíssima velocidade poderão ajudar a identificar padrões que podem conduzir a uma teoria que organize e unifique as previsões em diferentes situações. Outros cientistas pensam que o fenómeno é tão complexo que essa teoria integral nunca vai ser possível.
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.
Esperemos chegar a essa descoberta porque compreender bem a turbulência pode ter um enorme impacto positivo. Isso incluirá turbinas eólicas mais eficazes, a capacidade de nos prepararmos melhor para ocorrências de catástrofes ou mesmo o poder de manipular o afastamento de furações. E, claro, viagens mais calmas para milhões de passageiros aéreos.