Учени опровергаха 80-годишната теория за турбулентността, като се научиха да управляват енергийните потоци

Учените от Университета в Питсбърг, съвместно с колеги от Университета в Торино (Италия) направиха откритие, което опровергава 80-годишната теория за турбулентността. Изследването, публикувано в списанието Science Advances показва, че посоката на енергийния поток в турбулентни среди може да се променя – нещо, което досега се смяташе за невъзможно.

Благодарение на Андрей Колмогоров, от 1941 година насам се смяташе, че в триизмерни среди (океани, атмосфера) енергията се предава от големи вихри към по-малки. В двуизмерни потоци напротив – енергията се движи от малки мащаби към големи. Изследователи под ръководството на доцент Лей Фанг откриха, че това правило не е непоклатимо. Той преосмисли процеса на пренос на енергия като механичен, основан на уравненията на Навие-Стокс. Използвайки математическия апарат на тензорите, описващи деформациите и напреженията, той установи, че посоката на пренос на енергията зависи от взаимодействието на тези тензори. При определени условия потокът на енергията може да бъде пренасочен.

„Показахме, че можем да създаваме турбулентни потоци, демонстриращи както пряк, така и обратен поток на енергия. Нашата теория е приложима и в триизмерни мащаби.“

заяви Фанг

Експерименти потвърдиха теорията. В лабораторията учените създадоха тънък слой вода, приведен в движение от електромагнитни сили. Хоризонталното магнитно поле генерираше двуизмерно течение, което се възбуждаше с помощта на пръти. Маркерите в електролита позволиха визуализиране на движението на течността. Резултатите съвпаднаха с компютърното моделиране.

Откритието има широк спектър от практични приложения. В океанологията то може да помогне за управлението на разпространението на замърсители по крайбрежието. В медицината, особено в микрофлуидиката, където течностите се движат по канали с размер по-малък от милиметър и практически не се смесват поради липсата на турбулентност, новата методика ще позволи да се генерира „слаба турбулентност“ за ускоряване на смесването на реагентите.

„В микрофлуидните потоци с ширина по-малко от един милиметър вискозитетът на течността затруднява смесването. Бихме могли да изравним силите и изместването, за да генерираме слаба турбулентност, която ще ускори смесването на агентите.“

добави Фанг

Изследването може също да подобри климатичните модели. С промяната на климата се променят вятърните и океанските течения, което може да повлияе на посоката на енергийния поток в турбулентността. Разбирането на тези процеси ще позволи създаването на по-точни прогнозни модели.