Turbulencje: wielka nierozwiązana zagadka fizyki - Tomás Chor

Obejrzyj pełną lekcję: https://ed.ted.com/lessons/turbulence-one-of-the-great-unsolved-mysteries-of-physics-tomas-chor

Jesteś na pokładzie samolotu, kiedy nagle odczuwasz wstrząs. Nie wydaje ci się, że coś dzieje się za oknem, lecz samolot wciąż wstrząsa tobą i resztą pasażerów, poruszając się przez niespokojne powietrze atmosferyczne. Czym właściwie są turbulencje i dlaczego występują? Tomás Chor zgłębia jedną
z największych tajemnic fizyki: złożone zjawisko turbulencji.

Lekcja: Tomás Chor, reżyseria: Biljana Labovic.

Jesteś na pokładzie samolotu,
kiedy nagle odczuwasz wstrząs.

Za oknem niby nic się nie dzieje,

lecz samolot wciąż wstrząsa
tobą i resztą pasażerów,

poruszając się przez niespokojne
powietrze atmosferyczne.

Mimo że to, co zaraz usłyszysz,
niekoniecznie cię uspokoi,

zjawisko to stanowi jedną
z największych tajemnic fizyki.

Po ponad wieku badań wpadliśmy

tylko na kilka wyjaśnień tego,
co się dzieje podczas turbulencji

i jak wpływa na otaczający nas świat.

Turbulencje są powszechne

i powstają prawie w każdym układzie
zawierającym poruszające się płyny,

jak ruch powietrza w drogach oddechowych,

krew płynąca przez tętnice.

A także kawa, którą mieszasz w filiżance.

Chmury podlegają turbulencjom,

tak jak fale rozbijające się o brzeg
i strumienie plazmy na Słońcu.

Dokładne zrozumienie tego zjawiska

wpłynęłoby na wiele aspektów
naszego życia.

Oto, co wiemy.

Ciecze i gazy zwykle
poruszają się na dwa sposoby:

laminarny, który przebiega bez zakłóceń,

oraz turbulentny,
z pozornie chaotycznymi wirami.

Wyobraź sobie kadzidełko.

Przepływ laminarny dymu
na początku jest stały i przewidywalny,

ale wyżej

dym przyspiesza, staje się niestabilny,

schemat ruchu zamienia się w chaos.

Tak wygląda turbulencja,

a wszystkie przepływy turbulentne
mają pewne cechy wspólne.

Po pierwsze, turbulencja
jest zawsze chaotyczna.

To nie znaczy, że jest przypadkowa.

Oznacza to raczej, że turbulencja
jest bardzo wrażliwa na zakłócenia.

Malutka ingerencja
w jednym lub drugim kierunku

doprowadzi ostatecznie
do całkowicie odmiennych skutków.

To prawie uniemożliwia
przewidywanie, co się stanie,

nawet z mnóstwem informacji
o aktualnym stanie układu.

Inną ważną cechą turbulencji

są różne skale ruchu
wykazywane przez przepływ.

Przepływy turbulentne mają wiele
wirów różnych wielkości,

które tworzą skupiska
o różnych kształtach i rozmiarach.

Wszystkie te wiry oddziałują na siebie,

rozbijając się na coraz mniejsze wiry,

aż cały ten ruch zostanie
zamieniony w ciepło

w procesie nazywanym kaskadą energii.

Tak stwierdzamy turbulencje,

ale czemu w ogóle do nich dochodzi?

W każdej przepływającej cieczy lub gazie
działają dwie przeciwstawne siły:

inercja i lepkość.

Inercja to tendencja płynów
do poruszania się,

co powoduje niestabilność.

Lepkość zapobiega zaburzeniom,

zmieniając przepływ na laminarny.

W gęstych płynach takich jak miód,

prawie zawsze wygrywa lepkość.

Mniej lepkie woda czy powietrze
są bardziej podatne na bezwładność,

która powoduje niestabilność
rozwijającą się w turbulencję.

Mierzymy, w którym miejscu
spektrum znajduje się przepływ,

posługując się liczbą Reynoldsa,

czyli stosunkiem między
inercją a lepkością przepływu.

Im wyższa liczba Reynoldsa,

tym większe prawdopodobieństwo
wystąpienia turbulencji.

Na przykład miód wlany do kubka

ma liczbę Reynoldsa wynoszącą około 1.

Ten sam układ, ale z wodą,
ma liczbę Reynoldsa bliższą 10 000.

Liczba Reynoldsa pomaga
przy prostych scenariuszach,

lecz w wielu sytuacjach jest nieprzydatna.

Przykładowo, na ruch w atmosferze
w znacznej mierze wpływa

grawitacja i ruch obrotowy Ziemi.

Albo weźmy stosunkowo proste rzeczy,
jak opór działający na budynki czy auta.

Możemy to przedstawić dzięki wielu
eksperymentom i dowodom doświadczalnym.

Ale fizycy chcą je przewidywać
za pomocą praw i równań fizycznych

tak samo jak orbity planet
czy pola elektromagnetyczne.

Większość naukowców uważa,
że będzie to możliwe dzięki statystyce

oraz zwiększonej mocy obliczeniowej.

Niezwykle szybkie symulacje komputerowe
przepływów turbulentnych

mogą pomóc zidentyfikować schematy
prowadzące do teorii

organizującej i ujednolicającej
przewidywania w różnych sytuacjach.

Inni naukowcy myślą,
że zjawisko to jest tak złożone,

że tak daleko idąca teoria
nigdy nie powstanie.

Miejmy nadzieję, że dojdziemy do przełomu,

bo pełne zrozumienie turbulencji
może mieć wiele pozytywnych skutków

jak budowa wydajniejszych
elektrowni wiatrowych,

możliwość lepszego przygotowania
na kryzysowe sytuacje pogodowe

czy nawet umiejętność
odpędzania huraganów.

I oczywiście, spokojniejsze loty
milionów pasażerów linii lotniczych.