Et samarbejde mellem kunst og videnskab udforsker hvirveldyrs turbulente fysik

Mange af os som børn har spillet Poohsticks - smider en kvist i rindende vand fra en bro eller flodbred og ser den løb nedstrøms, men taber derefter konkurrencen, fordi din pind bliver fanget i en virveles endeløse spin på kanten af ​​en å.

I større skala, de samme hvirvler eller boblebade har angiveligt trukket skibe ned i en vandig grav. Men hvirvler findes ikke kun i vand.

Se videoen af ​​en plastpose fanget i et hvirvlende vindstød i filmen Amerikansk skønhed , eller koen slæbes gennem luften i en monstertornado i filmen Twister. Forestil dig, at det kondenserede vand spiraler ud af spidserne på en jagerfly, eller det frygtindgydende ryk som en jumbo jet bliver fanget i uventet turbulens.

Hvirvler er det fysiske resultat af bevægelsen af ​​væsker (både væske og gas), og de findes på mange skalaer.

Nu, et hold forskere, ingeniører og kunstnere er gået sammen om at lave et kunst-videnskabeligt eksperiment, kaldet A Hierarchy of Eddies, som har til formål at vise publikum kompleksiteten af ​​disse turbulente systemer.

Eddies kan beskrives matematisk ved hjælp af det, der kaldes Navier-Stokes-ligningen, men skaberne af dette værk siger, at der er noget om deres udviklende former, der overskrider fysik eller matematik og går ind i filosofiens riger, psykologi og performance.

Anført af to mangeårige samarbejdspartnere, Astrofysiker fra University of Melbourne, professor Andrew Melatos og kunstneren Briony Barr fra Scale Free Network, Et hierarki af hvirvler turnerer i øjeblikket som en del af en udstilling, Experimenta giver mening:International Triennial of Art, af Melbourne-baserede kunstorganisation Experimenta.

Udstillingen blev skabt med teknisk rådgivning fra forsker i beregningsvæskedynamik professor Andrew Ooi fra School of Engineering ved University of Melbourne, og kandidatstuderende Tony Zahtila.

Et hierarki af hvirvler er, delvis, inspireret af et citat fra engelsk matematiker, fysiker, meteorolog, psykolog og digter Lewis Fry Richardson, der levede mellem 1881 og 1953.

Genfortolker matematiker Augustus De Morgans rim om loppernes biologiske orden ("Store lopper har små lopper på ryggen for at bide dem / Og små lopper har mindre lopper, også, ad infinitum… "), Richardson skrev:

"Store hvirvler har små hvirvler

som lever af deres hastighed,

Og små hvirvler har mindre hvirvler

Og så videre til viskositet. "

Fru Barr, der driver Scale Free Network med Dr. Gregory Crocetti, siger, at værket også var inspireret af mønstre, de havde observeret i en mindre skulptur, de skabte kaldet 'partikelkammer, "som indeholdt en ventilator og polystyrenkugler inde i et skab med et areal på omkring en meter.

"Tidligt i udviklingen af ​​A Hierarchy of Eddies, et vigtigt videnskabeligt og æstetisk spørgsmål for os var, om et meget større kammer (50 gange større) indeholdende to ventilatorer ville udvise lignende nye mønstre, og om systemets skønhed ville blive yderligere forstærket af en ændring i skala, "siger fru Barr.

Professor Melatos er en teoretisk astrofysiker, der var en del af Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) -samarbejdet, der i 2015 bekræftede eksistensen af ​​gravitationsbølger.

Men han er også fascineret af det, han kalder videnskabelige fænomeners fremtrædende egenskaber - de komplekse mønstre i rum og tid, der opstår, når det er enkelt, grundlæggende regler gentages igen og igen.

"Dette er et eksperiment i provokation. Kunstnerisk og paradoksalt nok, det inviterer beskueren til at reagere på synet og lyden af ​​turbulens i hurtigt flydende luft ved at søge efter synlige og hørbare mønstre i strømmen. Hvor kaos forventes, orden dukker op, " han siger.

Et hierarki af hvirvler undersøger turbulensen af ​​hvirvler ved hjælp af to store blæsere og ti liter polystyrenkugler lukket i et glaskammer. Stående på ydersiden, publikum kan se, hvordan boldene fejes ind i luftstrømme, skabe kaotiske mønstre og former i stadigt skiftende hvirvler.

"Øjet er uimodståeligt tiltrukket af den bølgende, strobelyste bevægelser af perlerne, der surfer på en forhøjet luftstrøm, eller 'jagter deres haler' omkring en miniaturetornado nær gulvet. Der er noget koreograferet ved scenen, men koreografien er ikke designet af designer.

"Det afspejler det indre, systemets tosidige logik:den turbulente strømning, med sin iboende tendens til oscillation og vorticitet, og seeren, engagerer sig tæt i strømmen, påskyndet af det universelle menneskelige instinkt til at skelne mønstre, "siger professor Melatos.

Ifølge både kunstneren og astrofysikeren, partikelkammeret er både artefakt og ydeevne. Dens medium er luft. Dens drivkræfter er tryk og viskositet.

Men de siger, at temperatur og fugtighed også er nøglefaktorer. Forestil dig at gentage forsøget i en tank med vand. Ville noget være anderledes? Hvad med en tank honning eller motorolie?

Luftens viskositet bestemmer turbulensens "tekstur" - i hvilken grad luftstrømmene er sammenfiltrede, den lethed, hvormed de blandes og spredes - ligesom malingens viskositet påvirker teksturet af et lærred. Ventilatorerne ligner overdimensionerede børster, hvis fejende streger præger hvirvler på strømmen.

Værket er dynamisk og uforudsigeligt. Indrammet af beholderen og tændt af stroben, den præsenterer sig også for beskueren som et eksperiment i drama.

"Perlerne sporer strømmen passivt, men selve luften - hovedpersonen - er levende og udtryksfuld og i stand til at reagere, "siger professor Melatos.

"Gennem viskositet og ikke -lineære kræfter, luften oversætter det tryk, som ventilatorerne producerer, til kompleks, turbulente hvirvler i alle længdeskalaer, fra det lille til det store. I denne henseende, partikelkammeret er både teaterforestilling og arketypisk system uden for ligevægt. "

Men værket handler også om forholdet mellem beskueren og kunstværket.

Ifølge professor Melatos, hver seers oplevelse af tablået er unik. På denne måde, samarbejdet udvisker grænsen mellem kunstnerisk repræsentation og videnskabelig emulering.

"Det provokerer beskueren til at lave deres eget eksperiment i mysterierne ved langt fra ligevægtsmønsterdannelse. Det åbner døren mellem studie og laboratorium og tilskynder til fri passage."