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.
Ești într-un avion când deodată, simți o zdruncinătură subită. Afară nimic nu pare să se întâmple, totuși avionul continuă să te zdruncine, pe tine și pe ceilalți pasageri, când trece prin curenții turbulenți din atmosferă.
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.
Chiar dacă poate nu te liniștește să știi asta, acest fenomen e încă un mister al fizicii. După mai mult de un secol de cercetare a turbulențelor am găsit doar câteva răspunsuri despre cum funcționează și cum influențează lumea din jur.
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.
Și totuși, turbulențele sunt omniprezente, apărând practic în orice sistem ce are fluide în mișcare. Asta include fluxul de aer din sistemul tău respirator. Sângele care circulă prin artere. Și cafeaua din cană în timp ce o amesteci. Norii sunt conduși de turbulențe, precum și valurile ce se sparg la mal și jeturile de plasmă din soarele nostru. Înțelegând exact cum funcționează acest fenomen ar avea un impact în foarte multe dintre aspectele vieții noastre.
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.
Iată ce știm. Lichidele și gazele au de obicei două tipuri de mișcări: un flux laminar, stabil și lin, și un flux turbulent, compus din vârtejuri dezorganizate. Imaginează-ți un bețișor parfumat. Fluxul laminar de fum neperturbat de la bază e stabil și ușor de prezis. Aproape de vârf însă, fumul accelerează, devine instabil, iar mișcarea devine una haotică. Așa arată turbulențele, iar fluxurile turbulente au câteva caracteristici în comun.
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.
În primul rând, turbulențele sunt mereu haotice. Asta nu înseamnă că sunt aleatorii. În schimb, înseamnă că turbulențele sunt foarte sensibile. Un mic imbold într-o direcție sau alta va duce în final la rezultate complet diferite. Asta o face aproape imposibil de prezis, chiar și cu multe informații despre starea curentă a unui sistem.
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."
O altă caracteristică importantă a turbulențelor e gama largă de mișcări ale acestora. Fluxurile turbulente au multe vârtejuri de diferite mărimi sau curenți turbionari, ce sunt un fel de vortexuri de diferite mărimi și forme. Toate aceste vârtejuri interacționează între ele, rupându-se și devenind din ce în ce mai mici, până când toată mișcarea e transformată în căldură, printr-un proces numit „cascadă de energie”.
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.
Așadar știm cum să recunoaștem turbulențele, dar de ce au loc? În fiecare lichid sau gaz în mișcare există două forțe opuse: inerție și vâscozitate. Inerția e tendința fluidelor de a se mișca continuu, ceea ce cauzează instabilitate. Vâscozitatea acționează împotriva întreruperilor, făcând fluxul laminar. În fluidele dense precum mierea, vâscozitatea câștigă aproape mereu. Substanțe mai puțin vâscoase precum apa sau aerul sunt susceptibile inerției, ceea ce creează instabilități care se dezvoltă în turbulențe.
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.
Măsurăm unde se situează un flux în acel spectru folosind ceva numit „numărul Reynolds”, ce reprezintă proporția dintre vâscozitatea și inerția unui flux. Cu cât e mai mare numărul Reynolds, cu atât e mai probabil ca turbulențele să aibă loc. Mierea turnată într-o cană de exemplu are un număr Reynolds egal cu 1. În cazul apei, numărul Reynolds e apropiat 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.
Numărul Reynolds e util pentru a înțelege scenarii simple, dar e ineficient în multe situații. De exemplu, mișcarea atmosferică e puternic influențată de factori precum gravitația și rotația Pământului. Sau în lucruri relativ simple precum forța de frânare a clădirilor și mașinilor. Le putem simula datorită multor experimente și dovezi empirice. Dar fizicienii vor să le poată prezice prin legi și ecuații, la fel ca în cazul orbitelor planetelor sau câmpurilor electromagnetice.
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.
Mulți oameni de știință cred că trebuie să ne bazăm pe statistici și pe puterea computerelor. Simulări computerizate ale fluxurilor turbulente ne-ar putea ajuta să găsim tipare care să ducă spre o teorie care să unifice și să organizeze prezicerile în mai multe situații. Alți cercetători cred că fenomenul e atât de complex, încât o astfel de teorie unificată nu va fi posibilă.
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.
Sperăm că vom ajunge la o concluzie, pentru că o înțelegere a turbulențelor ar avea un impact pozitiv enorm. Asta ar include mori de vânt mai eficiente, capacitatea de a ne pregăti mai bine pentru evenimente catastrofale sau chiar puterea de a manipula uraganele. Și bineînțeles, zboruri mai line pentru milioane de pasageri.