Για όποιον έχει δει κύματα ωκεανού ή νερό που κινείται γρήγορα, οι αναταράξεις μπορεί να φαίνονται σαν καθαρό χάος. Τα ισχυρά ρεύματα συστρέφονται και αναδεύονται, δημιουργώντας στροβιλιζόμενες δίνες που διασπώνται σε όλο και μικρότερες δίνες έως ότου η ενέργειά τους τελικά εξασθενίσει.
Για δεκαετίες, οι επιστήμονες πίστευαν ότι αυτή η διαδικασία ακολουθεί ένα προβλέψιμο μοτίβο. Σε τρισδιάστατα περιβάλλοντα όπως ο ωκεανός και η ατμόσφαιρα, η ενέργεια θεωρείται ότι ρέει από μεγαλύτερες δομές σε μικρότερες δομές. Νέα έρευνα δείχνει ότι ο κανόνας μπορεί να μην είναι τόσο σταθερός όσο ήταν κάποτε.
Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Πίτσμπουργκ, σε συνεργασία με συνεργάτες στο Πανεπιστήμιο του Τορίνο στην Ιταλία, ανακάλυψαν ότι η κατεύθυνση της ροής ενέργειας στις αναταράξεις μπορεί πραγματικά να αλλάξει. Τα ευρήματά τους, δημοσιεύθηκαν Η επιστήμη προχωρά Η εργασία “Directing Turbulent Energy Flow Through Tensor Geometry in a Two-Dimensional Flow” μπορεί να έχει επιπτώσεις στην ιατρική, τη διαχείριση των ακτών και την επιστήμη του κλίματος.
Προκαλώντας μια θεμελιώδη θεωρία του χάους
Επικεφαλής της εργασίας ήταν ο Lei Fang, επίκουρος καθηγητής στο Τμήμα Πολιτικών και Περιβαλλοντικών Μηχανικών στο Pitts Swanson School of Engineering, μαζί με τους διδακτορικούς φοιτητές Jinyu Si, Filippo De Lillo και Guido Boffetta.
“Από το 1941, με την έρευνα του Andrey Kolmogorov, έχει προβλεφθεί η ροή ενέργειας. Στην τρισδιάστατη ροή, όπως ένα σώμα νερού, η ενέργεια κινείται από μεγάλες σε μικρές κλίμακες. Για τη δισδιάστατη ροή, που εμφανίζεται σε λεπτά στρώματα νερού, αυτή η ροή αντιστρέφεται, από μικρή σε μεγάλη”, είπε ο Fang.
Για να διερευνήσει εάν αυτή η συμπεριφορά θα μπορούσε να αλλάξει, ο Fang προσέγγισε το πρόβλημα από μια διαφορετική οπτική γωνία.
“Για να κατανοήσω αυτήν την αφηρημένη έννοια σε διαφορετικές κλίμακες”, πρόσθεσε ο Fang, “αναδιατύπωσα τη διαδικασία ροής ενέργειας σε μια μηχανική διαδικασία βασισμένη στην εξίσωση Navier-Stokes. Και επειδή είναι μια μηχανική διαδικασία, μπορώ να προσπαθήσω να την αντιστρέψω αλλάζοντας τη γεωμετρία μεταξύ μετατόπισης και δύναμης.”
Η προσέγγισή του βασίστηκε σε τανυστές, μαθηματικά αντικείμενα που χρησιμοποιούνται συνήθως για να περιγράψουν μεγέθη όπως το στρες και η καταπόνηση. Αυτές οι ιδιότητες παίζουν σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό αναταράξεων.
Δημιουργώντας ένα γεωμετρικό πλαίσιο που βασίζεται σε ευθυγραμμίσεις τανυστών, ο Fang ανακάλυψε ότι η κατεύθυνση της μεταφοράς ενέργειας εξαρτάται από το πώς αλληλεπιδρούν αυτοί οι τανυστές. Υπό ορισμένες συνθήκες, η ροή της ενέργειας μπορεί να ανακατευθυνθεί αντί να ακολουθήσει την παραδοσιακά αναμενόμενη πορεία της.
«Δείξαμε ότι μπορούμε να δημιουργήσουμε τυρβώδεις ροές που παρουσιάζουν είτε προς τα εμπρός είτε αντίστροφη ροή ενέργειας», είπε ο Fang. “Το πλαίσιο μας επεκτείνεται και στην τρισδιάστατη κλίμακα.”
Τα πειράματα επιβεβαιώνουν τη θεωρία
Η ιδέα βασίζεται στην προηγούμενη δουλειά του Fang που δείχνει ότι μικροσκοπικοί κολυμβητές μπορούν να διαταράξουν τα ισχυρά ωκεάνια ρεύματα. Στη νέα μελέτη, έστρεψε την προσοχή του στη ροή του υποβάθρου και στο πώς αλληλεπιδρά με τις εξωτερικές δυνάμεις.
Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι όταν αυτές οι δυνάμεις ευθυγραμμίζονται με συγκεκριμένους τρόπους, μπορούν να αλλάξουν τον τρόπο με τον οποίο η ενέργεια κινείται μέσα από ένα τυρβώδες σύστημα.
Για να δοκιμάσουν τη θεωρία, ο Fang και ο Si πραγματοποίησαν πειράματα στο εργαστήριο χρησιμοποιώντας ένα λεπτό στρώμα νερού που οδηγείται από ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις. Ένα οριζόντιο μαγνητικό πεδίο παρήγαγε μια δισδιάστατη ροή, όταν μια σειρά ράβδων χρησιμοποιήθηκε για να το διαταράξει. Τα σωματίδια ιχνηθέτη που αιωρούνταν σε ένα λεπτό στρώμα ηλεκτρολύτη επέτρεψαν στην ομάδα να οπτικοποιήσει και να μετρήσει την κίνηση του υγρού.
Τα πειραματικά αποτελέσματα ταίριαξαν με τις προσομοιώσεις υπολογιστή και υποστήριξαν τη νέα πρόβλεψη δομής.
Πιθανές εφαρμογές της ιατρικής από τους ωκεανούς
Η ικανότητα επηρεασμού των τυρβωδών ροών ενέργειας μπορεί τελικά να προσφέρει πρακτικά οφέλη σε διάφορους τομείς.
«Με αυτό το θεωρητικό πλαίσιο, ανακαλύψαμε ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε φυσικά όρια τόσο μικρά όσο δεκάδες μέτρα για να διαταράξουμε τα εμπόδια μεταφοράς των ωκεανών που εκτείνονται σε χιλιόμετρα», είπε ο Fang. «Είναι δυνατό να αλλάξει η κατεύθυνση της ροής ενέργειας, η οποία μπορεί να βελτιώσει τον τρόπο με τον οποίο τα λύματα ή άλλοι ρύποι διαχέονται κατά μήκος μιας ακτογραμμής».
Τα ευρήματα θα μπορούσαν επίσης να αποδειχθούν χρήσιμα στην ιατρική, ιδιαίτερα σε συστήματα μικρορευστοποίησης όπου τα υγρά κινούνται μέσα από κανάλια μικρότερα από ένα χιλιοστό. Σε αυτή την κλίμακα, τα υγρά αναμειγνύονται ελάχιστα επειδή οι αναταράξεις απουσιάζει σε μεγάλο βαθμό.
«Σε μικρορευστικές ροές μικρότερες από ένα χιλιοστό, όπου το ιξώδες ενός ρευστού δυσχεραίνει την ανάμειξη επειδή υπάρχει ελάχιστος έως καθόλου στροβιλισμός», πρόσθεσε ο Fang, «μπορούμε να ευθυγραμμίσουμε δυνάμεις και μετατοπίσεις για να δημιουργήσουμε ασθενή «στροβιλισμό χαμηλού αριθμού Reynolds», που μπορεί να επιταχύνει την ανάμειξη των παραγόντων.
Επιπτώσεις για τη μοντελοποίηση του κλίματος
Η έρευνα μπορεί επίσης να συμβάλει σε μελλοντικές βελτιώσεις στις κλιματικές προσομοιώσεις.
Τα ωκεάνια ρεύματα και η ατμοσφαιρική κυκλοφορία παίζουν σημαντικό ρόλο στον έλεγχο της παγκόσμιας θερμοκρασίας. Καθώς η κλιματική αλλαγή μεταβάλλει τα μοτίβα του ανέμου και τη συμπεριφορά των ωκεανών, οι δυνάμεις που δρουν σε αυτά τα συστήματα μπορεί επίσης να επηρεάσουν τον τρόπο με τον οποίο η ενέργεια κινείται μέσα από τυρβώδεις ροές.
«Αν και είναι εικαστικό σε αυτό το σημείο, η έρευνα θα μπορούσε να βελτιώσει τη μοντελοποίηση του κλίματος», είπε ο Fang. “Καθώς η κλιματική αλλαγή μεταβάλλει τα μοτίβα του ανέμου και τα ωκεάνια ρεύματα, η πίεση και τα ρεύματα του ανέμου μπορούν να αλλάξουν την κατεύθυνση της ροής ενέργειας. Η κατανόηση των δυνάμεων που οδηγούν αυτές τις αλλαγές μπορεί να οδηγήσει σε πιο ακριβή μοντέλα.”
Αν και απαιτείται πρόσθετη έρευνα, η έρευνα δείχνει ότι μία από τις πιο καθιερωμένες υποθέσεις της θεωρίας αναταράξεων μπορεί να είναι πιο ευέλικτη από ό,τι πίστευαν κάποτε οι επιστήμονες. Αντί να ακολουθεί απλώς μια προκαθορισμένη διαδρομή, η τυρβώδης ενέργεια μπορεί να κατευθυνθεί και να ανακατευθυνθεί υπό τις κατάλληλες συνθήκες.
