Turbulentie is overal - het doet onze vliegtuigen rammelen en maakt kleine draaikolken in onze badkuipen - maar het is een van de minst begrepen verschijnselen in de klassieke natuurkunde.

Turbulentie treedt op wanneer een geordende vloeistofstroom uiteenvalt in kleine wervelingen, die met elkaar interageren en in nog kleinere draaikolken uiteenvallen, die met elkaar in wisselwerking staan, enzovoort, de chaotische maalstroom van wanorde worden die wildwatervaren zo leuk maakt.

Maar de mechanica van die afdaling in chaos hebben wetenschappers eeuwenlang in verwarring gebracht.

Als ze iets niet begrijpen, natuurkundigen hebben een go-to-oplossing:sla het samen. Wil je de fundamentele bouwstenen van het universum begrijpen? Smash deeltjes samen. Wil je de onderliggende mechanica van turbulentie ontrafelen? Smash vortexen samen.

Onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hebben mogelijk een fundamenteel mechanisme geïdentificeerd waardoor turbulentie ontstaat door vortexringen frontaal in elkaar te slaan, het vastleggen van de resultaten met camera's met ultrahoge resolutie, en het reconstrueren van de botsingsdynamiek met behulp van een 3D-visualisatieprogramma. In combinatie met de analyse van numerieke simulaties uitgevoerd door medewerkers van de Universiteit van Houston en ENS de Lyon, de onderzoekers hebben ongekend inzicht gekregen in hoe fluïdische systemen transformeren van orde naar wanorde.

Het onderzoek is beschreven in wetenschappelijke vooruitgang .

"Ons vermogen om het weer te voorspellen, begrijpen waarom een ​​Boeing 747 zelfs vliegt met turbulente stromingen in zijn kielzog, en het bepalen van de globale stromingen in de oceaan hangt af van hoe goed we turbulentie modelleren, " zei Shmuel Rubinstein, Associate Professor of Applied Physics bij SEAS en corresponderende auteur van het artikel. "Echter, ons begrip van turbulentie mist nog steeds een mechanistische beschrijving die verklaart hoe energie naar steeds kleinere schalen stroomt totdat het uiteindelijk wordt gedissipeerd. Dit onderzoek opent de deur naar precies dat soort begrip."

"Proberen te begrijpen wat er gaande is in een buitengewoon complex systeem als turbulentie is altijd een uitdaging, " zei Rodolfo Ostilla-Mónico, Universitair docent Werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Houston en corresponderende auteur van het artikel. "Op elke lengteschaal, wervels spannen en comprimeren elkaar om een ​​chaotisch beeld te genereren. Met dit werk, we kunnen beginnen met het isoleren en bekijken van eenvoudige paarinteracties, en hoe deze leiden tot een rijke dynamiek als er genoeg van aanwezig zijn."

Natuurkundigen gebruiken sinds de jaren negentig vortex-colliders om turbulenties te begrijpen, maar eerdere experimenten waren niet in staat om de mechanica van de botsing te vertragen en te reconstrueren, het moment dat het in chaos afdaalt. Om dat te doen, de onderzoekers synchroniseerden een krachtig scannend laserblad met een hogesnelheidscamera - in staat om honderdduizenden afbeeldingen per seconde te maken - om de hele botsing snel in realtime te scannen.

Ze gebruikten vortexkanonnen in een aquarium van 75 gallon om de wervels te produceren. Elke vortex werd in een andere kleur geverfd, zodat onderzoekers konden observeren hoe ze met elkaar omgaan wanneer ze gewelddadig botsen. Het duurt minder dan een seconde voordat de ringen na de botsing in een verfwolkje zijn verdwenen, maar binnen die tijd veel natuurkunde gebeurt.

Eerst, de ringen strekken zich naar buiten uit als ze tegen elkaar botsen en de randen vormen antisymmetrische golven. De toppen van deze golven ontwikkelen zich tot vingerachtige filamenten, die loodrecht tussen de botsende kernen groeien.

Deze filamenten draaien in tegengestelde richting met hun buren, het creëren van een nieuwe reeks miniatuurwervels die milliseconden met elkaar interageren. Die wervels vormen ook filamenten, die op hun beurt draaikolken vormen. Het onderzoeksteam observeerde drie generaties van deze trapsgewijze cyclus, elk hetzelfde als voorheen, alleen kleiner - een Russische nestpop van wanorde.

"Dit soortgelijk gedrag van de grote schaal naar de kleine schaal ontstaat zeer snel en ordelijk voordat het allemaal uiteenvalt in turbulentie, " zei Ryan McKeown, een afgestudeerde student aan SEAS en eerste auteur van het papier. "Dit trapsgewijze effect is echt opwindend omdat het zou kunnen wijzen op een universeel mechanisme voor hoe deze interacties werken, onafhankelijk van schaal."

Naast de experimenten, het onderzoeksteam ontwikkelde ook numerieke simulaties om de dynamiek van de afbraak te begrijpen en te kwantificeren hoe het energiespectrum van de cascade evolueert. Turbulentie heeft een zeer specifiek en goed gedefinieerd energiespectrum. Hoewel dit systeem aanzienlijk eenvoudiger is dan de turbulentie die een vliegtuig doet rammelen, de onderzoekers ontdekten dat het energiespectrum in de late fase van de afbraak van de wervels dezelfde veelbetekenende schaal van volledig ontwikkelde turbulentie volgt.

"Dit is een goede indicatie dat hoewel dit een ander systeem is - voor een korte tijd - het dezelfde omstandigheden van turbulentie creëert. Het is een startpunt, ' zei McKeown.