La turbulencia está en todas partes, hace temblar nuestros aviones y hace pequeños remolinos en nuestras bañeras, pero es uno de los fenómenos menos entendidos en la física clásica.
La turbulencia ocurre cuando un flujo de fluido ordenado se rompe en pequeños vórtices, que interactúan entre sí y se rompen en vórtices aún más pequeños, que interactúan entre sí y así sucesivamente, convirtiéndose en la vorágine caótica del trastorno que hace que el rafting sea muy divertido.
Pero la mecánica de ese descenso al caos ha intrigado a los científicos durante siglos.
Cuando no entienden algo, los físicos tienen una solución: aplastarlos juntos. ¿Quieres entender los bloques de construcción fundamentales del universo? Romper partículas juntas. ¿Desentrañar la mecánica subyacente de la turbulencia? Romper vórtices juntos.
Los investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard John A. Paulson SEAS pueden haber identificado un mecanismo fundamental por el cual se desarrolla la turbulencia al romper los anillos de vórtice de frente, registrando los resultados con cámaras de resolución ultra altay reconstruyendo la dinámica de colisión utilizando un programa de visualización en 3D. Junto con el análisis de simulaciones numéricas realizadas por colaboradores de la Universidad de Houston y ENS de Lyon, los investigadores han obtenido una visión sin precedentes de cómo los sistemas fluídicos se transforman del orden al desorden.
La investigación se describe en Avances científicos .
"Nuestra capacidad para predecir el clima, entender por qué un Boeing 747 vuela incluso con corrientes turbulentas a su paso y determinar los flujos globales en el océano depende de qué tan bien modelemos la turbulencia", dijo Shmuel Rubinstein, profesor asociado de física aplicadaen SEAS y el autor correspondiente del artículo: "Sin embargo, nuestra comprensión de la turbulencia aún carece de una descripción mecanicista que explique cómo la energía cae en cascada a escalas cada vez más pequeñas hasta que finalmente se disipa. Esta investigación abre la puerta a ese tipo de comprensión".
"Intentar dar sentido a lo que está sucediendo en un sistema extremadamente complejo como la turbulencia siempre es un desafío", dijo Rodolfo Ostilla-Mónico, profesor asistente de ingeniería mecánica en la Universidad de Houston y autor correspondiente del artículo ".En cada escala de longitud, los vórtices se esfuerzan y comprimen entre sí para generar una imagen caótica. Con este trabajo, podemos comenzar a aislar y observar interacciones simples de pares, y cómo estos conducen a dinámicas ricas cuando hay suficientes ".
Los físicos han estado usando colisionadores de vórtice para comprender las turbulencias desde la década de 1990, pero los experimentos anteriores no han podido frenar y reconstruir la mecánica de la colisión, en el momento en que desciende al caos. Para hacer eso, los investigadores sincronizaron un poderosoescanear una hoja láser con una cámara de alta velocidad, capaz de capturar cientos de miles de imágenes por segundo, para escanear rápidamente toda la colisión en tiempo real.
Utilizaron cañones de vórtice en un acuario de 75 galones para producir los vórtices. Cada vórtice se tiñó de un color diferente, para que los investigadores pudieran observar cómo interactúan cuando chocan violentamente. Los anillos tardan menos de un segundo en desaparecer en unsoplo de tinte después de la colisión, pero dentro de ese tiempo, sucede mucha física.
Primero, los anillos se estiran hacia afuera a medida que chocan entre sí y los bordes forman ondas antisimétricas. Las crestas de estas ondas se convierten en filamentos en forma de dedos, que crecen perpendicularmente entre los núcleos en colisión.
Estos filamentos giran en sentido contrario con sus vecinos, creando una nueva serie de vórtices en miniatura que interactúan entre sí durante milisegundos. Esos vórtices también forman filamentos, que a su vez forman vórtices. El equipo de investigación observó tres generaciones de este ciclo en cascada, cada unauno igual que antes, solo que más pequeño: una muñeca rusa de desorden.
"Este comportamiento similar de gran escala a pequeña escala emerge muy rápido y ordenado antes de que todo se convierta en turbulencia", dijo Ryan McKeown, un estudiante graduado en SEAS y primer autor del artículo. "Este efecto en cascada es realmenteemocionante porque podría apuntar a un mecanismo universal de cómo funcionan estas interacciones, independientemente de la escala ".
Además de los experimentos, el equipo de investigación también desarrolló simulaciones numéricas para comprender la dinámica del desglose y cuantificar cómo evoluciona el espectro de energía de la cascada. La turbulencia tiene un espectro de energía muy específico y bien definido. Si bien este sistema es considerablementeMás simple que la turbulencia que hace temblar un avión, los investigadores descubrieron que el espectro de energía en la descomposición de los vórtices en la etapa posterior sigue la misma escala reveladora de la turbulencia completamente desarrollada.
"Esta es una gran indicación de que si bien este es un sistema diferente, por un breve tiempo, está creando las mismas condiciones de turbulencia. Es un punto de partida", dijo McKeown.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences . Original escrito por Leah Burrows. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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