Forskere knækker en varig fysikgåde

I årtier, fysikere, ingeniører og matematikere har undladt at forklare et bemærkelsesværdigt fænomen inden for væskemekanik:den naturlige tendens til turbulens i væsker til at bevæge sig fra uordentligt kaos til perfekt parallelle mønstre af skrå turbulente bånd. Denne overgang fra en tilstand af kaotisk turbulens til et meget struktureret mønster blev observeret af mange forskere, men aldrig forstået.

Ved EPFL's Emerging Complexity in Physical Systems Laboratory, Tobias Schneider og hans team har identificeret mekanismen, der forklarer dette fænomen. Deres resultater er blevet offentliggjort i Naturkommunikation .

Fra kaos til orden

De ligninger, der bruges til at beskrive den store variation af fænomener, der forekommer i væskestrømme, er velkendte. Disse ligninger fanger de fysiske grundlove, der styrer væskedynamik, et emne, der undervises i alle fysik- og ingeniørstuderende fra bachelor -niveau og fremefter.

Men når turbulens spiller ind, løsningerne til ligningerne bliver ikke-lineære, kompleks og kaotisk. Det gør det umuligt, for eksempel, at forudsige vejret over en længere tidshorisont. Alligevel har turbulens en overraskende tendens til at bevæge sig fra kaos til et meget struktureret mønster af turbulente og laminære bånd. Dette er et bemærkelsesværdigt fænomen, men den underliggende mekanisme forblev skjult i ligningerne indtil nu.

Her er hvad der sker:når en væske placeres mellem to parallelle plader, hver bevæger sig i modsat retning, turbulens skabes. I starten turbulensen er kaotisk, så organiserer det sig selv for at danne regelmæssige skrå bånd, adskilt af zoner med ro (eller laminære strømninger). Ingen indlysende mekanisme vælger båndenes skrå orientering eller bestemmer bølgelængden af ​​det periodiske mønster.

Skjult i enkle ligninger

Schneider og hans team løste mysteriet. "Som fysikeren Richard Feynman forudsagde, løsningen var ikke at finde i nye ligninger, men snarere inden for den ligning, der allerede var tilgængelig for os, "forklarer Schneider." Indtil nu har forskere havde ikke stærke nok matematiske værktøjer til at verificere dette. "

Forskerne kombinerede et sådant værktøj, kendt som dynamisk systemteori, med eksisterende teorier om mønsterdannelse i væsker og avancerede numeriske simuleringer. De beregnede specifikke ligevægtsløsninger for hvert trin i processen, gør dem i stand til at forklare overgangen fra den kaotiske til den strukturerede tilstand.

"Vi kan nu beskrive den indledende ustabilitetsmekanisme, der skaber det skrå mønster, "forklarer Florian Reetz, undersøgelsens hovedforfatter. "Vi har således løst et af de mest fundamentale problemer inden for vores område. De metoder, vi udviklede, vil hjælpe med at tydeliggøre den kaotiske dynamik i turbulente-laminære mønstre i mange flowproblemer. De kan en dag muliggøre en bedre kontrol af strømninger."

Et vigtigt fænomen

I væskemekanik, stribemønsterdannelse er vigtig, fordi det viser, hvordan turbulente og laminære strømninger er i konstant konkurrence med hinanden for at bestemme væskens endelige tilstand, dvs. turbulent eller laminært. Denne konkurrence opstår, når der opstår turbulens, fx når luft strømmer over en bil. Turbulensen starter i et lille område på bilens tag, men så breder det sig - fordi turbulens er stærkere end laminær strømning i dette særlige tilfælde. Den endelige tilstand er derfor turbulent.

Når stribemønsteret dannes, det betyder, at de laminære og turbulente strømninger er ens i styrke. Imidlertid, dette er meget svært at observere i naturen, uden for de kontrollerede betingelser i et laboratorium. Denne kendsgerning peger på betydningen af ​​EPFL -forskernes succes med at forklare en grundlæggende egenskab ved turbulens. Ikke alene gør deres fund rede for et fænomen, der kan observeres i et laboratorium, men de kunne hjælpe til bedre at forstå og kontrollere flowrelaterede fænomener, der også forekommer i naturen.