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.
Você está em um avião quando, de repente, sente uma sacudida. Fora da janela, nada parece estar acontecendo, mas o avião continua a sacudir você e seus companheiros de viagem enquanto passa pelo ar turbulento da 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 saber isto possa não deixar você à vontade, esse fenômeno é um dos mistérios predominantes da física. Depois de mais de um século estudando a turbulência, só conseguimos algumas respostas sobre como ela funciona e afeta o mundo ao nosso redor.
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.
E, no entanto, a turbulência é onipresente, surgindo em praticamente qualquer sistema que tenha fluidos em movimento. Isso inclui o fluxo de ar no trato respiratório; o sangue se movendo por suas artérias; e o café em seu copo, enquanto você o mexe. As nuvens são regidas pela turbulência, como as ondas batendo ao longo da costa e as rajadas de plasma em nosso Sol. O entendimento preciso do funcionamento desse fenômeno teria relevância em muitos aspectos de 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.
Eis o que sabemos. Líquidos e gases geralmente têm dois tipos de movimento: um fluxo laminar, que é estável e suave; outro turbulento, composto de redemoinhos aparentemente desorganizados. Imagine um palito de incenso. O fluxo laminar de fumaça sereno na base é estável e fácil de prever. Mais perto do topo, no entanto, a fumaça acelera, fica instável, e o padrão de movimento muda para algo caótico. Isso é turbulência em ação, e os fluxos turbulentos têm certas características em comum. Em primeiro lugar, a turbulência é sempre caótica.
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.
Isso é diferente de ser aleatório. Pelo contrário, isso significa que a turbulência é muito sensível a perturbações. Um pequeno empurrão para um lado ou para o outro acabará se transformando em resultados completamente diferentes. Isso torna quase impossível prever o que vai acontecer, mesmo com muita informação 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 esses fluxos exibem. Fluxos turbulentos têm muitos redemoinhos de tamanhos diferentes chamados de turbilhões, que são como vórtices de diferentes tamanhos e formas. Todos esses turbilhões interagem uns com os outros, dividindo-se para se tornar cada vez menor até que todo esse movimento seja transformado em calor, em um processo chamado de "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.
Então, é assim que reconhecemos a turbulência. Mas por que isso acontece? Em todo líquido ou gás que flui, há duas forças opostas: inércia e viscosidade. Inércia é a tendência dos fluidos de se manter em movimento, o que causa instabilidade. A viscosidade funciona contra a perturbação, fazendo o fluxo laminar em vez disso. Em fluidos grossos como o mel, a viscosidade quase sempre vence. Substâncias menos viscosas, como água ou ar, são mais propensas à inércia, que cria instabilidades que se transformam 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 onde um fluxo cai naquele espectro com algo chamado o número de Reynolds, que é a razão entre a inércia de um fluxo e sua viscosidade. Quanto maior o número de Reynolds, mais provável é a ocorrência de turbulência. O mel, sendo despejado em um copo, por exemplo, tem um número de Reynolds de cerca de um. A mesma configuração com a água
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.
tem um número de Reynolds mais próximo de 10 mil. O número de Reynolds é útil para entender cenários simples, mas é ineficaz em muitas situações. Por exemplo, o movimento da atmosfera é influenciado de modo significativo por fatores que incluem a gravidade e a rotação da Terra. Ou considere coisas relativamente simples, como a resistência em prédios e carros. Podemos modelá-los graças a muitos experimentos e evidências empíricas. Mas os físicos querem poder prevê-los por meio de leis físicas e equações assim como podemos modelar as órbitas de 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 pensa que chegar lá dependerá de estatísticas e maior poder computacional. Simulações computacionais extremamente rápidas de fluxos turbulentos poderiam nos ajudar a identificar padrões que levariam a uma teoria que organiza e unifica previsões em diferentes situações. Outros cientistas acreditam que o fenômeno é tão complexo que tal teoria completa nunca será 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.
Tomara que alcancemos um avanço, porque um conhecimento real da turbulência pode ter enormes impactos positivos. Isso incluiria parques eólicos mais eficientes; a capacidade de se preparar melhor para eventos climáticos catastróficos; ou até mesmo o poder de afastar os furacões. E, é claro, viagens mais calmas a milhões de passageiros de companhias aéreas.