Prawa rządzące turbulencjami

Turbulencja to zjawisko polegające na charakterystycznym, "chaotycznym" i "zagmatwanym", ruchu cząstek płynu. Jest ono istotne przy prawie każdym zjawisku związanym z przepływami. Wysyępuje na przykład w mieszaniu się powietrza i paliwa w silniku czy wtedy, gdy powietrze owiewa karoserię samochodu, a nawet podczas przenoszenia ciepła wewnątrz gwiazd.

Fizykom do dziś nie udało się stworzyć modelu matematycznego, opisującego rzeczywiste turbulentne przepływy. Dzięki badaniom przeprowadzonym w Massachusetts Institute of Technology (MIT), udało się jednak zidentyfikować podstawowe elementy, z których turbulencje są "zbudowane". Badania polegały na filmowaniu za pomocą kamery o wysokiej rozdzielczości ruchu cząsteczek w wirującej cieczy.

Zebrane dane zostały następnie zanalizowane za pomocą komputera. W wyniku obliczeń udało się opisać ruch przy pomocy złożonej sieci, składającej się z dwóch rodzajów krzywych. Pierwszy rodzaj "przyciąga" cząsteczki, podczas gdy drugi - odpycha. Wyobraźmy sobie duży talerz ze spaghetti. Na talerzu znajdują się jednak dwa rodzaje makaronu - czerwony i niebieski. Cząsteczki płynu to mrówki, biegające po makaronie.

"Okazuje się, że mrówki uwielbiają czerwony makaron i nienawidzą makaronu niebieskiego. Wskutek tego mrówki będą biegać tylko po nitkach czerwonego makaronu, unikając niebieskiego" - tłumaczy George Haller, członek grupy badającej turbulencje. Złożona sieć krzywych cały czas się zmienia i podlega deformacjom. Naukowcy nazwali tę sieć, "Szkieletem Lagrange'a" - na cześć francuskiego matematyka, który stworzył matematyczne podstawy wykorzystane przez badaczy.

"Pośród wielu zastosowań, wyniki posłużą do przewidywania turbulencji, które odpowiadają za charakterystyczne +szarpnięcia+ w czasie lotu samolotami. Mogą również pomóc w kontrolowaniu rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w morzu, no i z całą pewnością posłużą do lepszego rozumienia mrówek biegających w talerzu ze spaghetti" - żartuje Haller.(PAP)