Wetenschap
Onderzoek wijst uit hoe turbulentie kan worden gebruikt om patronen te genereren
De turbulente beweging van een tuimelende rivier of de uitstroom van een straalmotor is chaotisch:dat wil zeggen, er zit geen duidelijk patroon in.
Maar volgens een nieuwe studie kunnen regelmatige patronen ontstaan uit de turbulente beweging van vloeistoffen. Wat je nodig hebt is een intrigerende eigenschap die 'vreemde viscositeit' wordt genoemd en die onder bepaalde omstandigheden ontstaat, bijvoorbeeld wanneer de deeltjes in de vloeistof allemaal in dezelfde richting draaien. Hoewel het een gespecialiseerde omstandigheid is, zijn er veel contexten in de natuur waar een versie van dit effect kan voorkomen, zoals in de corona van de zon en de zonnewind.
"Dit verrassende effect kan bijdragen aan de groeiende gereedschapskist om turbulentie te beheersen en vorm te geven", zegt Michel Fruchart, voorheen postdoctoraal onderzoeker bij UChicago, nu faculteit van het Franse Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) en co-eerste auteur van het artikel. beschrijving van de bevindingen.
Het onderzoek, een samenwerking tussen de Universiteit van Chicago, de Technische Universiteit Eindhoven in Nederland en CNRS, is gepubliceerd in Nature.
Een chaotisch karakter
Ondanks hoeveel we de afgelopen eeuwen over de klassieke natuurkunde hebben geleerd, is er één probleem dat nog steeds niet volledig kan worden verklaard:het fenomeen dat bekend staat als turbulentie. Hoewel er iedere dag om ons heen turbulentie optreedt – van de wolken die in de atmosfeer boven ons hoofd ronddraaien tot het bloed dat door onze bloedvaten stroomt – wordt het nog steeds niet zo goed begrepen als andere veelvoorkomende natuurkundige verschijnselen.
"Turbulentie mag dan wel een normaal verschijnsel zijn in de natuur, maar wordt nog steeds slechts gedeeltelijk begrepen", zegt Xander de Wit, co-eerste auteur van de publicatie en promovendus aan de Technische Universiteit Eindhoven.
Dit ondanks het feit dat als we turbulentie zouden kunnen begrijpen en beheersen, we veel doorbraken zouden kunnen bereiken; misschien kunnen we bijvoorbeeld efficiëntere vliegtuigvleugels, motoren en windturbines ontwerpen.
Er zijn echter dingen die wetenschappers wel weten over turbulentie. Als je een fles water schudt, zie je draaikolken ontstaan. Ze beginnen ongeveer zo groot als de lengte van de fles; dan splitsen de draaikolken zich in kleinere draaikolken, en dan weer in kleinere draaikolken, enzovoort totdat de draaikolken verdwijnen. Dit staat bekend als een cascade. Maar als je hetzelfde doet, maar het water in een dunne laag opsluit, zullen de draaikolken in plaats daarvan samensmelten en één grote draaikolk vormen. De Grote Rode Vlek op het oppervlak van Jupiter is een voorbeeld van dit fenomeen, zei Fruchart.
De groep wetenschappers vroeg zich af of het mogelijk was om middelgrote draaikolken te maken en vast te houden – niet één grote draaikolk, noch steeds kleinere.
Het antwoord is ja:als uw vloeistof een eigenschap vertoont die bekend staat onder de term 'vreemde viscositeit'.
Viscositeit betekent meestal een meting van hoe moeilijk het is om te roeren. Het is bijvoorbeeld moeilijker om een pot honing te roeren dan een pot water. Bij normale viscositeit dissipeert de beweging de energie die je erin hebt geïnjecteerd door met je lepel te roeren. Maar ‘vreemde viscositeit’ verandert de manier waarop objecten bewegen, maar dissipeert geen energie. Het is in bepaalde zeldzame omstandigheden in het laboratorium waargenomen.
De onderzoekers bouwden een simulatie waarbij de deeltjes een vreemde viscositeit vertoonden – in dit geval door alle deeltjes van de vloeistof als toppen te laten ronddraaien. Door vervolgens de parameters aan te passen, zoals hoe snel de deeltjes zouden ronddraaien, ontdekten de onderzoekers een verrassing. Op een gegeven moment begonnen ze patronen te zien in plaats van willekeurige draaikolken.
"De truc, zo ontdekten we, is om een gemengde cascade te creëren, waarbij grote wervels de neiging hebben te splitsen en kleine wervels de neiging hebben samen te smelten", zegt Fruchart. "Als je de balans precies goed vindt, zie je patronen ontstaan."
"Toen we deze effecten voor het eerst zagen, begrepen we niet volledig waar we naar keken, maar je kon zien dat er zelfs met het blote oog iets anders was", zegt co-auteur van de studie en UChicago PhD-student Tali Khain. "We moesten een theorie ontwikkelen om het uit te leggen, en dat was echt spannend."
Hoewel niet alle deeltjes in vloeistoffen als tollen ronddraaien, zijn er voorbeelden in de natuur. Elektronen of polyatomaire gassen in een magnetisch veld gedragen zich bijvoorbeeld zo.
"Naast de zon en de zonnewind zijn er diverse contexten waarin een versie van dit effect kan bestaan, waaronder atmosferische stromingen, plasma's en actieve materie", zegt UChicago-professor Vincenzo Vitelli, een van de senior auteurs van het artikel. /P>
Terwijl de wetenschappers werken aan een beter begrip van hun bevindingen, hopen ze dat dit zal leiden tot een beter begrip van de wisselwerking tussen wervelingen en golven in turbulente stromingen.
‘We staan nog maar aan het begin,’ zei Vitelli, ‘maar ik ben gefascineerd door het idee dat je een turbulente toestand die het toppunt van chaos is, kunt gebruiken om patronen te maken – dat is een diepgaande verandering die slechts door een draai op de kleinste schaal."