Of er nu een vloeistof door huishoudelijke leidingen of industriële olie- en gasleidingen stroomt, als het langzaam loopt, is de stroom soepel, maar als het snel loopt, is de stroom chaotischer.

Meer dan 130 jaar geleden, De Britse natuurkundige en ingenieur Osborne Reynolds beschreef vloeistof die met lage snelheden stroomt als 'laminair, ' wat betekent dat het soepel in een enkele richting stroomt, en vloeistof die met hoge snelheden stroomt als 'turbulente, ' wat betekent dat het chaotische veranderingen in druk en energie ervaart. Reynolds ontwikkelde een reeks vergelijkingen om de relatie te beschrijven tussen de snelheid waarmee een vloeistof stroomt en de wrijving die ontstaat tussen de vloeistof en de pijp.

Ingenieurs gebruiken tegenwoordig nog steeds de "weerstandswetten" van Reynolds om te berekenen hoeveel energie er verloren gaat aan wrijving als vloeistoffen en gassen door een pijp stromen. Echter, één mysterie is onopgelost gebleven:wat gebeurt er als een stroming overgaat van laminair naar turbulent?

"In de overgangsstroom, wrijving varieert zonder waarneembare patronen, " zegt Dr. Rory Cerbus, een postdoctoraal onderzoeker aan de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST). Tot nu, de wetten van weerstand voor overgangsstroming waren onbekend, waardoor het moeilijk is om wrijving en energieverlies tijdens dit type stroming te berekenen.

Cerbus en andere onderzoekers van de Fluid Mechanics Unit en de Continuum Physics Unit van OIST hebben een verrassend eenvoudige oplossing gevonden voor dit 130 jaar oude raadsel. "We hebben laten zien dat hoewel de overgangstoestand een menagerie van stroomtoestanden lijkt te zijn, deze kunnen allemaal worden gekenmerkt door wetten die we al kennen, " zegt professor Pinaki Chakraborty, leider van de eenheid Vloeistofmechanica. "Dit vereenvoudigt een fundamenteel probleem."

Van overgangsstroming is bekend dat deze bestaat uit intermitterende patches van verschillende soorten stroming, die elkaar afwisselen langs de pijpleiding. In de standaardbenadering voor het meten van wrijving in overgangsstromingen, ze worden gewoon op één hoop gegooid.

De OIST-onderzoekers analyseerden in plaats daarvan de stukjes vloeiende en chaotische stroom afzonderlijk. Ze lieten water door een glazen buis van 20 meter lopen. Door kleine deeltjes aan het water toe te voegen en te belichten met een laser, ze konden de snelheid van de stroom meten. Hierdoor konden ze de afwisselende plekken van soepele en chaotische stroming in de overgangsstroom netjes identificeren. Vervolgens maten ze de wrijving in de afzonderlijke pleisters met behulp van druksensoren.

"We hebben een leerboekexperiment herhaald dat elk jaar door duizenden technische studenten over de hele wereld routinematig wordt uitgevoerd, " zegt Cerbus, hoofdauteur van het artikel, die onlangs werd gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven . "We gebruikten in wezen dezelfde tools, maar met het cruciale onderscheid om de patches afzonderlijk te analyseren, " hij zegt.

De onderzoekers toonden aan dat ondanks de uiterlijke complexiteit, de wet van weerstand voor de gladde plekken is consistent met laminaire stroming, terwijl de wet van weerstand voor de chaotische plekken consistent is met turbulente stroming. Daarom, overgangsstroming kan worden bestudeerd met behulp van de oorspronkelijke weerstandswetten van Reynolds.

Begrijpen hoeveel energie er nodig is om vloeistof door een pijpleiding te pompen wanneer deze in de overgangstoestand stroomt, kan industrieën helpen, zoals olieraffinaderijen, energieverspilling te minimaliseren en de efficiëntie te verbeteren.

"Als je goed kijkt, je merkt dat er vaak eenvoud is onder complexiteit, ' zegt Chakraborty.