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.
Uçaktasınız ve ani bir sarsıntı hissediyorsunuz. Pencerenizin dışında bir şey oluyor gibi görünmüyor fakat uçağınız türbülanslı havadan geçerken sizi ve diğer yolcuları sarsmaya devam ediyor.
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.
Bunu duymak sizi pek rahatlatmayabilir ancak bu olgu fiziğin başlıca gizemlerinden birisidir. Türbülans konusunda yüzyıldan fazla çalıştıktan sonra son zamanlarda türbülansın nasıl oluştuğu ve etrafımızdaki dünyaya etkileri konusunda birkaç cevap bulduk.
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.
Türbülans hareketli akışkanları olan hemen hemen tüm sistemlerde sık rastlanan bir şeydir. Buna solunum sisteminizdeki hava akımı da dâhildir. Kan, atar damarlarınızdan geçerken de olur. Bardağınızdaki kahveyi karıştırırken de. Bulutlar, kıyıya vuran dalgalar ve güneşimizdeki plazmalar türbülanslar tarafından yönetilir. Bu olgunun nasıl meydana geldiğini anlamak hayatımızın birçok yönünü etkileyecektir.
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.
Bildiklerimiz şunlar: Sıvıların ve gazların iki genel hareket tipleri vardır: sabit ve akıcı olan düzgün akım ve organize edilmemiş dönüşlerden oluşan karışık akım. Bir tütsü hayal edin. Tabandaki durgun dumanın düzgün akışı sabit ve tahmin edilmesi kolaydır. Ancak üste yaklaştıkça duman hızlanır, dengesizleşir ve hareket şekli kaotik bir şeye dönüşür. Bu, hareket hâlindeki türbülanstır ve türbülanslı akışların ortak özellikleri vardır.
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.
Öncelikle, türbülans hep kaotiktir. Rastgele olmasından farklı bir şey. Aksine bu, türbülansın bozulmalara karşı çok hassas olduğu anlamına gelir. Bir şekilde biraz dürtmek ya da başka bir şey sonunda tamamen farklı sonuçlara dönüşecektir. Bu, bir sistemin şu anki durumu hakkında birçok bilgi olsa bile ne olacağını tahmin etmeyi neredeyse imkânsız kılıyor.
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."
Türbülansın bir diğer önemli özelliği, bu akışların gösterdiği farklı ölçeklerdeki harekettir. Türbülanslı akışlar, farklı ebat ve şekillerde dönmeler gibi, girdaplar adı verilen, farklı boyutlarda birçok vortekse sahiptir. Bu farklı büyüklükteki tüm girdaplar birbirleriyle etkileşime girerek, tüm hareketler ısıya dönüşene kadar küçülerek “enerji kademesi” olarak adlandırılan bir süreçte birbirleriyle etkileşime giriyor.
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.
Bu şekilde türbülansı fark ederiz ama türbülans neden meydana gelir? Akan her sıvı veya gazda iki karşıt güç vardır: atalet ve viskozite. Atalet, akışkanların hareket etmeye devam etme eğilimidir, bu da kararsızlığa neden olur. Viskozite, bunun yerine akış laminerini yaparak bozulmaya karşı çalışır. Bal gibi yoğun sıvılarda viskozite hemen hemen daima kazanır. Su veya hava gibi daha az viskoz maddeler, türbülansa dönüşen dengesizlikler yaratan ataletlere daha yatkındır.
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.
Bir akışın atalet ile viskozite arasındaki oran olan Reynolds sayısı olarak adlandırılan bir şeyle nerede olduğunu ölçeriz. Reynolds sayısı ne kadar yüksekse türbülansın oluşması o kadar olasıdır. Örneğin bir bardağa dökülen balın Reynolds sayısı 1 civarındadır. Su ile kurulan aynı sistem, 10.000'e yakın bir Reynolds sayısına sahiptir.
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.
Reynolds sayısı basit senaryoları anlamak için kullanışlıdır ancak birçok durumda etkisizdir. Örneğin, atmosferin hareketi, yer çekimi ve dünyanın dönüşünü içeren faktörlerden önemli ölçüde etkilenir. Veya binalar ve arabalar gibi nispeten basit şeyleri ele alalım. Bunları birçok deney ve deneysel kanıt sayesinde modelleyebiliriz. Ancak fizikçiler, gezegenlerin veya elektromanyetik alanların yörüngesini modellemenin yanı sıra, fiziksel yasalar ve denklemlerle tahmin edebilmek istiyor.
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.
Çoğu bilim insanı, bunu yapmanın istatistiklere ve artırılmış bilgi işlem gücüne dayanacağına inanıyor. Türbülanslı akışların son derece yüksek hızlı bilgisayar simülasyonları, farklı durumlar arasındaki tahminleri organize eden ve birleştiren bir teoriye yol açabilecek kalıpları belirlememize yardımcı olabilir. Diğer bilim insanları olgunun öyle karmaşık olduğunu düşünüyorlar ki böylesine tam teşekküllü bir teori asla mümkün olmayacak.
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.
Umarım, bir atılım gerçekleştiririz çünkü gerçek bir türbülans anlayışı büyük olumlu etkilere neden olabilir. Bu, daha verimli rüzgâr santralleri; yıkıcı hava olaylarına daha iyi hazırlık yapabilme ve hatta kasırgaları manipüle etme gücü bile olabilir. Ve elbette, milyonlarca hava yolu yolcusu için daha sakin yolculuklar.