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.
Trên máy bay, đột nhiên, bạn bị xóc. Ngoài trời, dường như chẳng có gì xảy ra, nhưng bạn và các hành khách vẫn tiếp tục bị rung lắc khi máy bay bay qua vùng không khí bị nhiễu động.
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.
Có lẽ bạn sẽ không mấy thích thú khi biết rằng hiện tượng này là một trong những bí ẩn thú vị nhất trong vật lý. Sau hơn một thế kỷ nghiên cứu về nhiễu động, ta chỉ mới có vài giải thích về cách hoạt động, và ảnh hưởng của nó lên ta.
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.
Nhiễu động ở khắp mọi nơi, xuất hiện trong hầu hết mọi hệ chuyển động chất lưu. Gồm luồng khí di chuyển trong đường hô hấp. Máu lưu thông trong động mạch. Và cả trong ly cà phê đang được khuấy. Mây bị nhiễu động chi phối, sóng vỗ dọc bờ biển và gió mặt trời cũng vậy. Hiểu rõ cách hiện tượng này hoạt động sẽ tạo ra nhiều thay đổi trong cuộc sống.
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.
Sau đây là những điều ta biết. Chất lỏng và khí thường có hai loại chuyển động: dòng chảy tầng: ổn định và trơn tru, dòng chảy rối: là tập hợp các xoáy rối loạn. Hãy tưởng tượng một cây nhang. Ở đầu nhang, dòng khói mượt, ổn định và dễ đoán. Tuy nhiên, gần cuối cột khói, tốc độ dòng tăng lên, dòng không còn ổn định, và chuyển động của cột khói trở nên hỗn loạn. Đó là sự nhiễu động, và dòng chảy rối có những đặc điểm sau.
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.
Đầu tiên, khác với ngẫu nhiên, nhiễu động luôn là hỗn loạn. Nói đúng hơn, nhiễu động rất nhạy với va chạm (lực ma sát). Một chút tác động có thể làm thay đổi toàn bộ, khiến gần như không thể dự đoán được nhiễu động ngay cả khi có rất nhiều thông tin về hiện trạng. Một đặc điểm quan trọng khác của nhiễu động là kích cỡ dòng.
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."
Dòng chảy rối có nhiều vòng xoáy có kích thước khác nhau gọi là xoáy rối, giống như gió xoáy, có nhiều hình dạng và kích cỡ. Các xoáy rối tương tác với nhau, tiêu tán năng lượng và nhỏ dần đến khi toàn bộ động năng biến thành nhiệt. Quá trình này được gọi là: "thác năng lượng". Đó là cách nhận biết nhiễu động,
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.
nhưng tại sao nó lại xảy ra? Luôn tồn tại hai lực đối nhau trong chất lỏng và chất khí: quán tính và độ nhớt. Quán tính khiến chất lỏng tiếp tục di chuyển, gây ra bất ổn. Độ nhớt chống lại bất ổn, khiến dòng chảy trơn tru hơn. Trong chất lỏng đặc như mật ong, độ nhớt thường thắng thế. Các chất có độ nhớt nhỏ như nước hay không khí chịu ảnh hưởng của quán tính nhiều hơn, tạo nên bất ổn, hình thành nhiễu loạn.
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.
Ta phân loại dòng chảy bằng cách đối chiếu khoảng phổ nhờ một thứ gọi là số Reynold, là tỷ số giữa lực quán tính và độ nhớt dòng. Số Reynold càng lớn, khả năng xảy ra nhiễu động càng cao. Ví dụ, chỉ số Reynold khi đổ mật ong vào ly xấp xỉ bằng 1. Tương tự, với nước, chỉ số Reynold gần bằng 10.000. Số Reynold rất hữu ích Với các hệ đơn giản,
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.
nhưng trở nên vô dụng trong nhiều trường hợp khác. Ví dụ, chuyển động trong lòng khí quyển bị ảnh hưởng mạnh bởi các yếu tố như trọng lực và sự quay quanh trục của Trái đất. Hay đơn giản hơn, lực cản trên các tòa nhà và xe hơi. Nhờ có nhiều thí nghiệm và thực nghiệm, ta có thể tạo các mô hình tương ứng. Nhưng các nhà vật lý muốn dự đoán chúng qua định luật và phương trình vật lý như việc tạo mô hình quỹ đạo các hành tinh hoặc trường điện từ.
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.
Hầu hết các nhà khoa học tin rằng có thể dự đoán dùng phương pháp thống kê với máy tính có cấu hình cực mạnh. Mô phỏng dòng chảy rối trên máy tính có tốc độ xử lí cao giúp xác định các mẫu làm cơ sở xây dựng lý thuyết dự đoán mọi hệ nhiễu động một cách có hệ thống. Vài nhà khoa học khác tin rằng hiện tượng này quá phức tạp nên việc xây dựng lý thuyết hoàn chỉnh là không thể.
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.
Hy vọng, tương lai, ta có thể tạo ra đột phá, vì hiểu rõ về nhiễu động có tác động rất lớn, như giúp khai thác hiệu quả hơn năng lượng điện gió, chuẩn bị tốt hơn trước thiên tai, hoặc thậm chí, điều chỉnh hướng bão. Và, dĩ nhiên, những chuyến bay dễ chịu hơn cho hàng triệu hành khách.