Revolução da turbulência: novas idéias sobre como os fluidos se transformam de ordem em desordem

    

        

A turbulência está em toda parte – ela sacode nossos aviões e faz pequenas banheiras de hidromassagem em nossas banheiras – mas é um dos fenômenos menos compreendidos na clássica física.                                                

A turbulência ocorre quando um fluxo de fluido ordenado entra em vórtices pequenos, que interagem entre si e se dividem em vórtices ainda menores, que interagem entre si e assim por diante, tornando-se o turbilhão caótico da desordem que torna o rafting em águas brancas muito divertido.

Mas a mecânica dessa descida ao caos confundiu os cientistas por séculos.

Quando eles não entendem algo, os físicos têm uma solução: esmagar juntos. Deseja entender os blocos de construção fundamentais do universo? Esmagar partículas juntas. Deseja desvendar a mecânica subjacente à turbulência ? Esmagar vórtices juntos.

Os pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS) podem ter identificado um mecanismo fundamental pelo qual a turbulência se desenvolve esmagando anéis de vórtice de frente um para o outro, registrando os resultados com câmeras de resolução ultra-alta e reconstruindo a dinâmica de colisão usando um programa de visualização em 3D. Juntamente com a análise de simulações numéricas realizadas por colaboradores da Universidade de Houston e da ENS de Lyon, os pesquisadores obtiveram uma visão sem precedentes de como os sistemas fluídicos se transformam de ordem em desordem.

A pesquisa está descrita em Avanços científicos .

    

        

“Nossa capacidade de prever o clima, entender por que um Boeing 747 voa mesmo com correntes turbulentas e determinar os fluxos globais no oceano depende de quão bem modelamos a turbulência, “disse Shmuel Rubinstein, professor associado de física aplicada na SEAS e autor correspondente do artigo. “No entanto, nosso entendimento de turbulência ainda carece de uma descrição mecanicista que explica como a energia cai em cascata em escalas cada vez menores até que finalmente seja dissipada. Esta pesquisa abre as portas para esse tipo de entendimento.”

“Tentar entender o que está acontecendo em um sistema extremamente complexo como a turbulência é sempre um desafio”, disse Rodolfo Ostilla-Mónico, professor assistente de engenharia mecânica da Universidade de Houston e autor correspondente do artigo. “Em toda escala de comprimento, os vórtices estão se esforçando e se comprimindo para gerar uma imagem caótica. Com este trabalho, podemos começar a isolar e observar interações simples de pares, e como elas levam a uma dinâmica rica quando uma quantidade suficiente está presente”.

Os físicos vêm usando coletores de vórtices para entender turbulências desde os anos 90, mas experimentos anteriores não foram capazes de desacelerar e reconstruir a mecânica da colisão, no momento em que ela cai no caos. . Para fazer isso, os pesquisadores sincronizaram uma poderosa folha de escaneamento a laser com uma câmera de alta velocidade – capaz de capturar centenas de milhares de imagens por segundo – para escanear rapidamente toda a colisão em tempo real

    

        

Eles usaram canhões de vórtice em um aquário de 75 galões para produzir os vórtices. Cada vórtice foi tingido de uma cor diferente, para que os pesquisadores pudessem observar como eles interagem quando colidem violentamente. Demora menos de um segundo para os anéis desaparecerem em uma nuvem de tinta após a colisão, mas, nesse período, muita física acontece.

Primeiro, os anéis se esticam para fora quando se chocam e as bordas formam ondas antissimétricas. As cristas dessas ondas se transformam em filamentos em forma de dedo, que crescem perpendicularmente entre os núcleos em colisão.

Esses filamentos contra-rotacionam com seus vizinhos, criando um novo conjunto de vórtices em miniatura que interagem entre si por milissegundos. Esses vórtices também formam filamentos, que por sua vez formam vórtices. A equipe de pesquisa observou três gerações desse ciclo em cascata, cada uma igual à anterior, mas menor – uma boneca russa de desordem.

“Esse comportamento semelhante, de grande a pequeno porte, surge muito rapidamente e em ordem antes que tudo se transforme em turbulência”, disse Ryan McKeown, estudante de graduação do SEAS e primeiro autor do papel. “Esse efeito em cascata é realmente empolgante, pois poderia apontar para um mecanismo universal de como essas interações funcionam, independentemente da escala.”

Além dos experimentos, a equipe de pesquisa também desenvolveu simulações numéricas para entender a dinâmica da quebra e quantificar como o espectro de energia da cascata evolui. A turbulência possui um espectro de energia muito específico e bem definido. Embora esse sistema seja consideravelmente mais simples do que a turbulência que sacode um avião, os pesquisadores descobriram que o espectro de energia no colapso dos vórtices na fase final segue o mesmo dimensionamento revelador da turbulência totalmente desenvolvida

“Esta é uma ótima indicação de que, embora seja um sistema diferente – por um breve período de tempo – ele está criando as mesmas condições de turbulência. É um ponto de partida”, disse McKeown.