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.
คุณกำลังอยู่บนเครื่องบิน ทันใดคุณก็รู้สึกสั่นสะเทือนอย่างกะทันหัน มองไปนอกหน้าต่าง ก็ดูเหมือนไม่มีอะไรเกิดขึ้น แต่การสั่นอันน่าตระหนกตกใจ ยังคงเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง ขณะที่เครื่องบินกำลังบินผ่าน กระแสอากาศแปรปรวนในชั้นบรรยากาศ
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.
ถึงแม้ว่ามันอาจจะฟังดูไม่ค่อยน่าไว้วางใจ แต่ปรากฏการณ์นี้เป็นหนึ่งในความลึกลับ ที่ยังไม่สามารถไขได้ของวิชาฟิสิกส์ เป็นเวลากว่าศตวรรษในการศึกษาหลุมอากาศ เราสามารถเข้าใจถึงการเกิดขึ้น และผลกระทบต่อโลกรอบตัวเรา ได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น
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.
ถึงอย่างนั้น หลุมอากาศนั้น พบได้ทุกหนทุกแห่ง มันเกิดขึ้นได้ในแทบทุกระบบ ที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของของไหล รวมถึงกระแสลมในทางเดินหายใจของคุณ เลือดที่ไหลผ่านหลอดเลือดของคุณ รวมถึงกาแฟในถ้วยในขณะที่คุณคนมัน เมฆนั้นถูกควบคุมด้วยหลุมอากาศ เช่นเดียวกับคลื่นที่ซัดเข้าหาฝั่ง และกระแสลมพลาสม่าบนดวงอาทิตย์ของเรา การเข้าใจอย่างถ่องแท้ ถึงกลไกของปรากฎการณ์นี้ จะส่งผลกับชีวิตเราในแง่มุมต่าง ๆ
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.
และนี่คือสิ่งที่เรารู้ การเคลื่อนไหวของเหลวและก๊าซนั้น เแบ่งออกได้สองลักษณะ คือ การไหลแบบราบเรียบ คือการไหลที่สม่ำเสมอและเป็นระเบียบ และการไหลแบบวน ซึ่งเป็นการไหลวนอย่างไม่เป็นระเบียบ ลองนึกภาพควันจากการจุดธูปหอม เมื่อเรามองไปที่ฐานของกลุ่มควัน เราจะเห็นการไหลที่คงที่และคาดเดาได้ง่าย แต่เมื่อมองกลุ่มควันด้านบน ควันจะลอยตัวเร็วขึ้นและไม่เสถียร รูปแบบการเคลื่อนที่จะเปลี่ยนไป เป็นการเคลื่อนที่แบบยุ่งเหยิง สิ่งที่เราเห็นก็คือ หลุมอากาศ การไหลแบบวนนั้น มีลักษณะบางอย่างที่คล้ายคลึงกัน
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.
ประการแรก หลุมอากาศนั้น มักจะเต็มไปด้วยความยุ่งเหยิง ซึ่งแตกต่างจากการสุ่ม หมายความว่า หลุมอากาศนั้น อ่อนไหวต่อการเปลี่ยนแปลงอย่างมาก เมื่อมีอะไรมาสะกิดแม้เพียงเล็กน้อย ก็สามารถเปลี่ยนแปลงจนสร้าง ผลลัพธ์ที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงได้ ทำให้แทบจะเป็นไปไม่ได้เลย ที่จะคาดการณ์ว่าจะเกิดอะไรขึ้น ถึงแม้จะมีข้อมูลมากมาย ที่แสดงสถานะปัจจุบันของระบบการไหล
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."
ลักษณะสำคัญอีกประการของหลุมอากาศ คือ การเคลื่อนที่ที่ต่างกันในกระแสการไหล การไหลแบบวนนั้นประกอบด้วย การไหลวนที่เรียกว่ากระแสวนขนาดต่าง ๆ ซึ่งเป็นเหมือนกระแสน้ำวน ที่มีขนาดและรูปร่างแตกต่างกัน กระแสวนขนาดต่าง ๆ กันนั้นมีปฏิสัมพันธ์กัน แตกตัวจนมีขนาดเล็กลงเรื่อย ๆ จนการเคลื่อนที่กลายเป็นพลังงานความร้อน ในกระบวนการ “การปลดปล่อยพลังงาน”
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.
นั่นคือวิธีที่เรารับรู้ถึงหลุมอากาศ แต่ทำไมมันถึงเกิดขึ้น ในการไหลของของเหลวหรือก๊าซ จะมีแรงสองแรงคู่ตรงข้ามเกิดขึ้น นั่นคือความเฉื่อยและความหนืด ความเฉื่อยเป็นแนวโน้มของของไหล ที่จะเคลื่อนที่ต่อไป ซึ่งทำให้เกิดความไม่เสถียร ส่วนความหนืดนั้นออกแรงตรงข้าม กับการหยุดชะงัก ทำให้การไหลแบบราบเรียบแทน ในของเหลวข้น ๆ อย่างน้ำผึ้ง ความหนืดมักจะเป็นแรงหลักที่ชนะ สสารที่มีความหนืดน้อยอย่างน้ำหรืออากาศ มีแนวโน้มที่แรงเฉื่อยจะชนะ ทำให้เกิดความไม่เสถียร ซึ่งจะพัฒนาไปสู่หลุมอากาศ
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.
เราวัดที่กระแสตกบนคลื่นความถี่นั้น กับสิ่งที่เรียกว่า ค่าเลขเรย์โนลด์ ซึ่งเป็นอัตราส่วนระหว่างกระแสของ ความเฉื่อยและความหนืดของมัน ยิ่งค่าเลขเรย์โนลด์สูงเท่าไหร่ ยิ่งมีแนวโน้มว่า หลุมอากาศจะเกิดมากขึ้น น้ำผึ้งถูกเทลงในถ้วย ตัวอย่างเช่น มีค่าเลขเรย์โนลด์ประมาณหนึ่ง ชุดเดียวกันกับน้ำมีค่าเลขเรย์โนลด์ ที่ใกล้ถึง 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.
ค่าเลขเรย์โนลด์มีประโยชน์สำหรับ เข้าใจสถานการณ์ง่าย ๆ แต่ก็ไม่ได้ผลในหลายสถานการณ์ เช่น การเคลื่อนที่ของบรรยากาศ ได้รับอิทธิพลอย่างมาก โดยปัจจัยต่าง ๆ รวมทั้งแรงโน้มถ่วง และการหมุนของโลก หรือใช้สิ่งที่ค่อนข้างง่าย เช่นการลากบนอาคารและรถยนต์ เราสามารถจำลองสิ่งเหล่านั้นได้ ต้องขอบคุณ หลาย ๆ คนการทดลองและหลักฐานเชิงประจักษ์ แต่นักฟิสิกส์ต้องการที่จะสามารถทำนายได้ ผ่านกฎและสมการทางกายภาพ เช่นกัน เราสามารถจำลองวงโคจรได้ ของดาวเคราะห์หรือสนามแม่เหล็กไฟฟ้า
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.
นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่คิดว่า การไปถึงที่นั่นจะอาศัยสถิติ และพลังประมวลผลที่เพิ่มขึ้น การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ความเร็วสูงมาก ของกระแสน้ำวน สามารถช่วยเราระบุรูปแบบที่สามารถ นำไปสู่ทฤษฎี ที่จัดระเบียบและรวมคำทำนาย ในสถานการณ์ต่าง ๆ นักวิทยาศาสตร์คนอื่น ๆ คิดว่า ปรากฏการณ์นี้ซับซ้อนมาก ว่า ทฤษฎีที่เต็มเปี่ยมเช่นนั้น จะไม่มีวันเป็นไปได้
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.
หวังว่า เราจะบรรลุความก้าวหน้า เพราะการเข้าใจหลุมอากาศอย่างแท้จริง อาจส่งผลกระทบเชิงบวกอย่างมหาศาล ที่จะรวมถึง ฟาร์มกังหันลมที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ความสามารถในการเตรียมตัวที่ดีขึ้นสำหรับ เหตุการณ์สภาพอากาศเลวร้าย หรือแม้แต่อำนาจในการจัดการ พายุเฮอริเคนออกไป และแน่นอน การขับขี่ที่นุ่มนวลขึ้น สำหรับผู้โดยสารสายการบินหลายล้านคน