Forskning tyder på, hvordan turbulens kan bruges til at generere mønstre

Den turbulente bevægelse af en tumlende flod eller udstrømningen fra en jetmotor er kaotisk:det vil sige, den indeholder ikke noget åbenlyst mønster.

Men ifølge en ny undersøgelse kan der opstå regelmæssige mønstre fra den turbulente bevægelse af væsker. Det, du har brug for, er en spændende egenskab kaldet "ulige viskositet", der opstår under visse forhold, såsom når partiklerne i væsken alle spinder i samme retning. Selvom det er en specialiseret omstændighed, er der mange sammenhænge i naturen, hvor en version af denne effekt kan eksistere, såsom i solens korona og solvinden.

"Denne overraskende effekt kan føje til den voksende værktøjskasse til at kontrollere og forme turbulens," sagde Michel Fruchart, tidligere postdoktor ved UChicago, nu fakultet ved det franske Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) og medførsteforfatter af papiret beskriver resultaterne.

Undersøgelsen, et samarbejde mellem University of Chicago, Eindhoven University of Technology i Holland og CNRS, er offentliggjort i Nature.

En kaotisk natur

På trods af hvor meget vi har lært om klassisk fysik i de sidste århundreder, er der et problem, der stadig modstår fuld forklaring:fænomenet kendt som turbulens. Selvom turbulens dukker op hver dag omkring os – fra skyerne, der kværner i atmosfæren over hovedet til selve blodet, der strømmer gennem vores kar – er det stadig ikke så godt forstået som andre almindelige fysiske fænomener.

"Turbulens kan være almindeligt i naturen, men det er stadig kun delvist forstået," sagde Xander de Wit, medforfatter til publikationen og ph.d.-studerende ved Eindhoven University of Technology.

Dette på trods af, at hvis vi kunne forstå og kontrollere turbulens, ville vi måske kunne opnå mange gennembrud; måske kunne vi designe mere effektive flyvinger, motorer og vindmøller, for eksempel.

Der er dog ting, forskerne ved om turbulens. Hvis du ryster en flaske vand, vil du se hvirvler dannes. De starter omtrent på størrelse med flaskens længde; derefter splittes hvirvlerne i mindre hvirvler, og så igen i mindre hvirvler, og så videre, indtil hvirvlerne forsvinder. Dette er kendt som en kaskade. Men hvis du gør det samme, men begrænser vandet til et tyndt lag, vil hvirvlerne i stedet smelte sammen og danne én stor hvirvel – den store røde plet på Jupiters overflade er et eksempel på dette fænomen, sagde Fruchart.

Gruppen af ​​videnskabsmænd spekulerede på, om det var muligt at lave og holde mellemstore hvirvler – hverken en stor hvirvel, eller mindre og mindre.

Svaret er ja – hvis din væske har, viser en egenskab kendt under udtrykket "ulige viskositet."

Viskositet betyder normalt en måling af, hvor svært det er at røre - for eksempel er det sværere at røre en krukke honning i forhold til en krukke med vand. I normal viskositet spreder bevægelsen den energi, du har injiceret til den, ved at røre med din ske. Men "ulige viskositet" ændrer den måde, objekter bevæger sig på, men spreder ikke energi. Det er blevet set under visse sjældne tilstande i laboratoriet.

Forskerne byggede en simulering, hvor partiklerne viste en underlig viskositet - i dette tilfælde ved at få alle partiklerne i væsken til at spinde som toppe. Derefter, ved at justere parametrene, såsom hvor hurtigt partiklerne ville spinde, fandt forskerne en overraskelse. På et bestemt tidspunkt begyndte de at se mønstre i stedet for tilfældige hvirvler.

"Tricket, vi fandt, er at skabe en blandet kaskade, hvor store hvirvler har tendens til at splitte, og små hvirvler har tendens til at smelte sammen," sagde Fruchart. "Hvis du får den helt rigtige balance, ser du mønstre dannes."

"Da vi først så disse effekter, forstod vi ikke helt, hvad vi så på, men man kunne se, at der var noget anderledes selv med det blotte øje," sagde studiets medforfatter og UChicago Ph.D-studerende Tali Khain. "Vi var nødt til at udvikle en teori for at forklare det, og det var virkelig spændende."

Selvom ikke alle partikler i væsker spinder som toppe, er der eksempler i naturen. For eksempel opfører elektroner eller polyatomiske gasser i et magnetfelt sig på denne måde.

"Ud over solen og solvinden er der forskellige sammenhænge, ​​hvor en version af denne effekt kan eksistere, herunder atmosfæriske strømme, plasmaer og aktivt stof," sagde UChicago prof. Vincenzo Vitelli, en af ​​de ledende forfattere på papiret.

Mens forskerne arbejder på at udvikle en bedre forståelse af deres resultater, håber de, at det vil føre til en bedre forståelse af samspillet mellem hvirvler og bølger i turbulente strømme.

"Vi er kun i begyndelsen," sagde Vitelli, "men jeg er fascineret af ideen om, at man kan tage en turbulent tilstand, der er indbegrebet af kaos, og bruge den til at lave mønstre - det er en dyb ændring, der er lavet af blot en vrid i den mindste skala."

Flere oplysninger: Xander M. de Wit et al., Mønsterdannelse ved turbulente kaskader, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07074-z

Journaloplysninger: Natur

Leveret af University of Chicago