Cercetătorii au descoperit că direcția fluxului de energie în turbulențe poate fi modificată
O echipă de la Universitatea din Pittsburgh și Universitatea din Torino a demonstrat experimental că fluxul turbulent de energie poate fi redirecționat, contrar teoriei clasice a lui Kolmogorov din 1941.
Cercetătorii de la Universitatea din Pittsburgh, în colaborare cu oamenii de știință de la Universitatea din Torino, Italia, au descoperit că direcția fluxului de energie în turbulențe poate fi modificată, potrivit ScienceDaily. Descoperirea contrazice o teorie stabilită acum 80 de ani de matematicianul Andrey Kolmogorov.
Teoria clasică a turbulențelor
Conform teoriei lui Kolmogorov din 1941, în fluxurile tridimensionale (3D), precum corpurile de apă, energia se deplasează de la scări mari la scări mici. În fluxurile bidimensionale (2D), care apar în straturi subțiri de apă, fluxul este inversat, de la scări mici la scări mari. Această direcție a fost considerată fixă până acum.
Abordarea inovatoare a cercetătorilor
Lei Fang, autorul principal al studiului, a transformat procesul fluxului de energie într-un proces mecanic bazat pe ecuațiile Navier-Stokes. „Am putut încerca să inversez fluxul prin schimbarea geometriei dintre deplasare și forță”, a explicat Fang. Abordarea s-a bazat pe tensori, obiecte matematice care descriu stresul și deformarea, proprietăți esențiale în formarea turbulenței.
Fang a descoperit că direcția transferului de energie depinde de modul în care acești tensori interacționează. În anumite condiții, fluxul de energie poate fi redirecționat, în loc să urmeze traiectoria tradițională. „Am demonstrat că putem produce fluxuri turbulente care prezintă fie flux de energie direct, fie flux invers”, a spus Fang.
Experimente de laborator
Pentru a testa teoria, cercetătorii au folosit un strat subțire de apă acționat de forțe electromagnetice. Un câmp magnetic orizontal a generat un flux bidimensional, iar o serie de tije a perturbat acest flux. Particulele trasoare suspendate în electrolit au permis vizualizarea și măsurarea mișcării fluidului. Rezultatele experimentale au corespuns simulărilor pe calculator și au susținut predicțiile.
Implicații practice
Capacitatea de a influența fluxul turbulent de energie ar putea avea beneficii în mai multe domenii. În managementul costurilor, de exemplu, ar putea îmbunătăți dispersia apelor uzate sau a contaminanților de-a lungul coastelor. „Prin intermediul acestui cadru teoretic, putem perturba barierele de transport oceanic care se întind pe kilometri întregi, folosind limite fizice mici de până la zece metri”, a explicat Fang.
În medicină, descoperirile s-ar putea aplica în sistemele microfluidice, unde canalele mai mici de un milimetru împiedică amestecarea fluidelor din cauza absenței turbulenței. Redirecționarea fluxului de energie ar putea îmbunătăți acest proces.
Contribuții la știința climei
Cercetarea ar putea îmbunătăți simulările climatice. Curenții oceanici și circulația atmosferică joacă roluri esențiale în reglarea temperaturilor globale. Pe măsură ce schimbările climatice modifică modelele vântului și comportamentul oceanelor, forțele care acționează asupra acestor sisteme pot afecta direcția fluxului de energie. „Înțelegerea forțelor care creează această schimbare poate duce la modele mai precise”, a transmis Fang.
Deși sunt necesare cercetări suplimentare, studiul sugerează că una dintre cele mai consacrate ipoteze ale teoriei turbulențelor ar putea fi mai flexibilă decât se credea. Energia turbulentă ar putea fi ghidată și redirecționată în condițiile potrivite.
