Турбуленцията се счита за случайно явление, което е трудно да се опише, но често създава сериозни проблеми за полетите на самолетите и излага на риск пасажерите в тях
(снимка: CC0 Public Domain)
Вероятно поне веднъж сте попадали в зона на турбулентност, докато сте в самолет, и знаете колко страшно и неприятно може да бъде това. Скоро обаче самолетите ще могат да избягват тези зони. Учени успяха да прогнозират турбуленцията, което означава, че самолетите ще летят по-спокойно.
Турбуленцията се счита за случайно явление, което е трудно да се опише. Учените обаче са намерили начин да предвидят появата му чрез нов метод за изчисляване на динамиката на флуидите.
Физици от Технологичния институт на Джорджия показаха, че е възможно да се определи кога турбуленцията отразява измерими модели. С други думи, в целия хаос на поведението на течностите (и газовете) могат да се появят моменти, когато процесите в средата се описват с ясни математически уравнения.
Турбуленцията е трудна за прогнозиране главно поради начина, по който се образуват малки водовъртежи или вихри в течността. Когато материалът тече по права линия в плавен поток, неговата скорост и траектория са лесни за прогнозиране. Ако някоя струя в потока стане слаба, може би поради факта, че преминава през по-малко подвижна повърхност, течността ще започне да се завихря.
С всяко ново завихрящо течение се образува нова повърхност, която може да създаде нови вихри. По този начин всеки вихър се държи според прищявката на набор от фактори – от налягане до вискозитет – и бързо се превръща в буря в чаша вода, която никой компютър не може да проследи. В новото изследване обаче учените са намерили начин да проследят динамиката.
За да направят това, авторите на изследването създават резервоар с прозрачни стени и течност, съдържаща малки флуоресцентни частици. Те преместват течността между чифт независимо въртящи се цилиндри и проследяват светещото съдържание – все едно гледате влакове, преминаващи през гарата, в реално време. Изследователите обаче е трябвало първо да напишат уравнения и да се опитат да опишат всички процеси вътре в течността.
Това изисква изчислителни решения за набор от уравнения, разработен преди почти 200 години. Чрез съпоставяне на експеримента с математическите резултати екипът успява да определи кога се появяват специфични модели на турбулентност, наречени кохерентни структури.
Въпреки че се появяват редовно в движещи се течности, времето на възникване на кохерентните структури е непредвидимо. В тази конкретна настройка кохерентните структури се придържат към квазипериодична схема, състояща се от две честоти – едната насочена около оста на симетрия на потока, другата базирана на различен набор от промени в околния поток.
Макар че не са прост набор от уравнения, които описват турбуленцията във всичките ѝ форми, кохерентните структури могат да направят турбуленцията много по-предвидима от преди. Разширявайки изследването, учените биха могли да направят “графиците” за турбулентност по-динамични, като ги описват по-подробно, отколкото могат да предложат средните статистически стойности.