Fizicienii au inversat fluxul de energie în turbulență, îndoind o regulă de 80 de ani

Într-o foaie subțire de apă în vârtej, niște fizicieni au făcut energia să curgă invers. În loc să coboare spre vârtejuri tot mai mici sau să urce spre altele tot mai mari, curgerea făcea ceea ce alegeau cercetătorii, după felul în care așezau forțele care o agitau. Rezultatul pune la îndoială o presupunere care modelează fizica fluidelor de peste optzeci de ani.

De peste optzeci de ani, imaginea curentă a turbulenței este o cascadă cu sens unic. În curgerile tridimensionale ale unui râu sau ale oceanului deschis, se credea că energia coboară constant de la vârtejurile mari spre cele mici, unde în cele din urmă se disipă sub formă de căldură. În straturile subțiri, aproape bidimensionale, se credea că această cascadă se inversează și că vârtejurile mici hrănesc pe cele mari. În orice caz, sensul părea fixat de geometria spațiului în care trăia fluidul.

Noua lucrare desprinde acel sens de dimensiunile curgerii. Ceea ce fixează direcția, au descoperit cercetătorii, este alinierea dintre două mărimi în fiecare punct al fluidului: tensiunea care îl strânge și deformarea pe care o suferă drept răspuns. Reglezi unghiul dintre forță și deplasare, iar energia poate fi împinsă în sus sau în jos pe scară. Forma vasului încetează să mai fie un destin.

Pentru a o arăta, echipa a agitat cu forțe magnetice un strat puțin adânc de lichid conductor de electricitate, l-a presărat cu particule trasoare și a filmat cum se mișcă. Remodelând tiparul forțării, a produs în același aparat curgeri cu transfer de energie înainte și curgeri cu transfer invers. Simulările pe calculator ale aceluiași montaj au reprodus comutarea, genul de potrivire care transformă o imagine surprinzătoare într-o măsurătoare.

Controlul cascadei are bătaie practică. Sensul în care curge energia într-un fluid guvernează cum se răspândesc lucrurile prin el, așa că dirijarea lui ar putea schimba modul în care un țărm împrăștie un panaș de ape uzate, cum un cip microfluidic amestecă volume minuscule pentru un test medical sau cum se mișcă energia prin curgerile stratificate pe care modelele climatice încearcă să le surprindă.

Demonstrația trăiește într-un sistem atent controlat și, în esență, bidimensional, nu în turbulența tridimensională și haotică a unei furtuni sau a unui curent de adâncime. Dacă aceeași stăpânire a sensului supraviețuiește în curgeri pe deplin tridimensionale și de înaltă energie rămâne o întrebare deschisă, iar saltul de la o tavă de laborator la ocean este mare. Principiul este acum stabilit; raza lui de acțiune, nu.

Cercetarea a fost realizată de o echipă condusă de la Universitatea din Pittsburgh, în colaborare cu Universitatea din Torino, și a fost publicată în revista Science Advances. Următorul pas al grupului este să testeze cât de departe ajunge controlul prin alinierea tensorilor pe măsură ce curgerile devin mai groase și mai energetice, regimul în care trăiește de fapt cea mai mare parte a turbulenței reale.

Etichete: știri, fizică