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.
Вы летите на самолёте, как вдруг ощущаете внезапный толчок. За окном вроде бы ничего не происходит, но самолёт, а вместе с ним вас и других пассажиров начинает трясти, ведь он пролетает через зону турбулентности в атмосфере.
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.
Вряд ли вас это успокоит, но данное явление — одна из неразгаданных тайн физики. Спустя почти век с начала изучения турбулентности нам удалось получить лишь немного ответов на вопрос о природе и влиянии этого явления на окружающий нас мир.
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.
И тем не менее, турбулентность можно повстречать повсюду, и возникает она практически в любой системе, содержащей движущиеся жидкости. К ним относятся и поток воздуха в дыхательных путях, и циркуляция крови в артериях, и даже кофе в чашке, когда вы размешиваете там сахар. Турбулентность не только управляет облаками, волнами, бьющими о берег, но даже потоками плазмы солнечного ветра. Понимание, что в точности представляет собой данное явление, будет иметь практическое значение для очень многих аспектов нашей жизни.
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.
Вот что известно на данный момент. Жидкости и газы обычно способны перемещаться двумя способами: устойчивым и плавным ламинарным течением и турбулентным течением, состоящим из, казалось бы, неупорядоченных вихрей. Представьте себе дымящуюся ароматическую палочку. Ламинарное течение дыма у его основания плавно и предсказуемо. Однако ближе к его верхней части дым ускоряется и становится неустойчивым, а его движения — хаотичными. Это и есть турбулентность в действии, и у любого турбулентного движения имеются характерные черты.
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.
Во-первых, турбулентность всегда хаотична. Это не означает, что она случайна. Скорее, это значит, что турбулентность чрезвычайно чувствительна к помехам. Любое воздействие на неё так или иначе в итоге приводит к совершенно различным результатам. Поэтому, даже обладая большим объёмом данных о текущем состоянии системы, совершенно невозможно предсказать, что в ней произойдёт.
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."
Ещё одним важным свойством турбулентности является различие в масштабах движения, обнаруживаемого в этих потоках. В турбулентных потоках существует много течений, называемых вихрями, которые похожи на воронки различных размеров и форм. Все эти различной величины вихри взаимодействуют друг с другом, постепенно распадаясь и уменьшаясь в размерах, пока вся кинетическая энергия не перейдёт в тепловую в ходе процесса под названием энергетический каскад.
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.
Так турбулентность проявляется, но почему же она происходит? На каждую текучую жидкость или газ действуют две противоположные силы — инерция и вязкость. Инерция — это стремление жидкости продолжать течь, что вызывает неустойчивость. Вязкость сопротивляется изменениям, создавая при этом ламинарное течение. У таких густых жидкостей, как мёд, вязкость почти всегда преобладает. Менее вязкие вещества, такие как вода или воздух, более склонны к инерции, которая создаёт неустойчивости, переходящие в турбулентность.
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.
Положение этого показателя для жидкости в широком диапазоне величин называется числом Рейнольдса, которое характеризуется отношением инерционных сил к вязким силами трения. Чем выше число Рейнольдса, тем более вероятно возникновение турбулентности. Например, число Рейнольдса переливаемого в чашку мёда равно примерно 1. А в случае воды число Рейнольдса будет порядка 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.
Число Рейнольдса полезно для понимания простых явлений, но малоэффективно во многих других ситуациях. Например, на движение воздуха существенно влияют такие факторы, как гравитация и вращение Земли. Или же возьмите относительно простую турбулентность от зданий или автомобилей. Мы можем моделировать эти условия при помощи опытов и эмпирических данных. Но физики хотят предсказывать их посредством законов и уравнений точно так же, как рассчитывать орбиты планет или электромагнитные поля.
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.
Большинство учёных считает, что для этого потребуются статистические данные и увеличение вычислительных мощностей компьютеров. Сверхскоростные компьютерные симуляции турбулентных потоков могут помочь определить закономерности, на основании которых можно создать теорию, упорядочивающую и унифицирующую прогнозы для различных ситуаций. Другие учёные полагают, что данное явление настолько сложно, что его полноценная теория никогда не станет возможна.
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.
Остаётся надеяться, что мы продвинемся в понимании природы турбулентности, потому что полное понимание окажет огромное положительное влияние. Оно позволит строить более энергоэффективные ветряные электростанции, а также лучше противостоять катастрофическим погодным катаклизмам или даже научиться отводить ураганы. Ну и, конечно же, полёты для миллионов пассажиров станут гораздо приятнее.