Fizycy odwrócili przepływ energii w turbulencji, naginając 80-letnią regułę

W cienkiej warstwie wirującej wody fizycy sprawili, że energia popłynęła na opak. Zamiast spływać kaskadą ku coraz mniejszym wirom albo wznosić się ku coraz większym, przepływ robił to, co wybrali badacze, zależnie od tego, jak ustawili siły wprawiające go w ruch. Wynik podważa założenie, które kształtuje fizykę płynów od ponad osiemdziesięciu lat.

Od ponad osiemdziesięciu lat obowiązujący obraz turbulencji to jednokierunkowa kaskada. W trójwymiarowych przepływach rzeki czy otwartego oceanu sądzono, że energia stale schodzi od wielkich wirów ku małym, gdzie w końcu rozprasza się jako ciepło. W cienkich, niemal dwuwymiarowych warstwach kaskada miała się odwracać, a małe wiry zasilać większe. Tak czy inaczej, kierunek wydawał się ustalony przez geometrię przestrzeni, w której żyła ciecz.

Nowa praca odrywa ten kierunek od wymiarów przepływu. To, co ustala kierunek, odkryli badacze, to ułożenie dwóch wielkości w każdym punkcie cieczy: naprężenia, które ją ściska, i odkształcenia, jakiemu ulega w odpowiedzi. Dostroisz kąt między siłą a przemieszczeniem i energię można pchnąć w górę albo w dół skali. Kształt naczynia przestaje być przeznaczeniem.

Aby to pokazać, zespół wprawił w ruch siłami magnetycznymi płytką warstwę cieczy przewodzącej prąd, posypał ją cząstkami znacznikowymi i sfilmował, jak się poruszają. Przekształcając wzór wymuszenia, uzyskał w tym samym układzie przepływy z przekazem energii w przód i przepływy z przekazem odwrotnym. Symulacje komputerowe tego samego układu odtworzyły to przełączenie, a taka zgodność zamienia zaskakujący obraz w pomiar.

Sterowanie kaskadą ma praktyczny zasięg. Kierunek, w którym energia płynie w cieczy, rządzi tym, jak rozchodzą się w niej rzeczy, więc jego sterowanie mogłoby zmienić to, jak wybrzeże rozprasza smugę ścieków, jak mikroprzepływowy chip miesza maleńkie objętości na potrzeby testu medycznego albo jak energia przemieszcza się w warstwowych przepływach, które starają się uchwycić modele klimatu.

Demonstracja żyje w starannie kontrolowanym, w istocie dwuwymiarowym układzie, a nie w chaotycznej, trójwymiarowej turbulencji burzy czy głębokiego prądu. Czy ten sam uchwyt nad kierunkiem przetrwa w w pełni trójwymiarowych, wysokoenergetycznych przepływach, pozostaje pytaniem otwartym, a skok od laboratoryjnej tacki do oceanu jest duży. Zasada jest już ustalona; jej zasięg nie.

Badania przeprowadził zespół kierowany z Uniwersytetu w Pittsburghu we współpracy z Uniwersytetem w Turynie, a wyniki opublikowano w czasopiśmie Science Advances. Następnym krokiem grupy jest sprawdzenie, jak daleko sięga sterowanie przez ułożenie tensorów, gdy przepływy stają się grubsze i bardziej energetyczne, w reżimie, w którym naprawdę żyje większość prawdziwej turbulencji.

Tagi: physics