Turbulência: um dos grandes mistérios não resolvidos da física - Tomás Chor

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Você está em um avião quando, de repente, sente uma sacudida. Do lado de fora da janela, parece que nada está acontecendo, mas o avião continua a sacudir você e seus companheiros de viagem ao passar por um ar turbulento na atmosfera. O que é exatamente a turbulência e por que isso acontece? Tomás Chor mergulha em um dos mistérios predominantes da física: o complexo fenômeno da turbulência.

Lição de Tomás Chor, direção de Biljana Labovic.

Você está em um avião quando,
de repente, sente uma sacudida.

Fora da janela,
nada parece estar acontecendo,

mas o avião continua a sacudir
você e seus companheiros de viagem

enquanto passa pelo ar
turbulento da atmosfera.

Embora saber isto
possa não deixar você à vontade,

esse fenômeno é um dos mistérios
predominantes da física.

Depois de mais de um século
estudando a turbulência,

só conseguimos algumas respostas
sobre como ela funciona

e afeta o mundo ao nosso redor.

E, no entanto, a turbulência
é onipresente,

surgindo em praticamente qualquer sistema
que tenha fluidos em movimento.

Isso inclui o fluxo de ar
no trato respiratório;

o sangue se movendo por suas artérias;

e o café em seu copo,
enquanto você o mexe.

As nuvens são regidas pela turbulência,

como as ondas batendo ao longo da costa
e as rajadas de plasma em nosso Sol.

O entendimento preciso
do funcionamento desse fenômeno

teria relevância em muitos
aspectos de nossa vida.

Eis o que sabemos.

Líquidos e gases geralmente
têm dois tipos de movimento:

um fluxo laminar, que é estável e suave;

outro turbulento, composto de redemoinhos
aparentemente desorganizados.

Imagine um palito de incenso.

O fluxo laminar de fumaça sereno
na base é estável e fácil de prever.

Mais perto do topo, no entanto,
a fumaça acelera, fica instável,

e o padrão de movimento
muda para algo caótico.

Isso é turbulência em ação,

e os fluxos turbulentos têm
certas características em comum.

Em primeiro lugar,
a turbulência é sempre caótica.

Isso é diferente de ser aleatório.

Pelo contrário,

isso significa que a turbulência
é muito sensível a perturbações.

Um pequeno empurrão
para um lado ou para o outro

acabará se transformando em resultados
completamente diferentes.

Isso torna quase impossível
prever o que vai acontecer,

mesmo com muita informação
sobre o estado atual de um sistema.

Outra característica
importante da turbulência

são as diferentes escalas de movimento
que esses fluxos exibem.

Fluxos turbulentos têm muitos
redemoinhos de tamanhos diferentes

chamados de turbilhões,

que são como vórtices
de diferentes tamanhos e formas.

Todos esses turbilhões
interagem uns com os outros,

dividindo-se para se tornar cada vez menor

até que todo esse movimento
seja transformado em calor,

em um processo chamado
de "cascata de energia".

Então, é assim que
reconhecemos a turbulência.

Mas por que isso acontece?

Em todo líquido ou gás que flui,
há duas forças opostas:

inércia e viscosidade.

Inércia é a tendência dos fluidos
de se manter em movimento,

o que causa instabilidade.

A viscosidade funciona
contra a perturbação,

fazendo o fluxo laminar em vez disso.

Em fluidos grossos como o mel,

a viscosidade quase sempre vence.

Substâncias menos viscosas, como água
ou ar, são mais propensas à inércia,

que cria instabilidades
que se transformam em turbulência.

Medimos onde um fluxo cai naquele espectro

com algo chamado o número de Reynolds,

que é a razão entre a inércia
de um fluxo e sua viscosidade.

Quanto maior o número de Reynolds,

mais provável é a ocorrência
de turbulência.

O mel, sendo despejado
em um copo, por exemplo,

tem um número de Reynolds de cerca de um.

A mesma configuração com a água

tem um número de Reynolds
mais próximo de 10 mil.

O número de Reynolds é útil
para entender cenários simples,

mas é ineficaz em muitas situações.

Por exemplo, o movimento da atmosfera
é influenciado de modo significativo

por fatores que incluem a gravidade
e a rotação da Terra.

Ou considere coisas relativamente simples,
como a resistência em prédios e carros.

Podemos modelá-los graças a muitos
experimentos e evidências empíricas.

Mas os físicos querem poder prevê-los
por meio de leis físicas e equações

assim como podemos modelar as órbitas
de planetas ou campos eletromagnéticos.

A maioria dos cientistas pensa
que chegar lá dependerá de estatísticas

e maior poder computacional.

Simulações computacionais extremamente
rápidas de fluxos turbulentos

poderiam nos ajudar a identificar padrões
que levariam a uma teoria

que organiza e unifica previsões
em diferentes situações.

Outros cientistas acreditam
que o fenômeno é tão complexo

que tal teoria completa
nunca será possível.

Tomara que alcancemos um avanço,

porque um conhecimento real da turbulência
pode ter enormes impactos positivos.

Isso incluiria parques eólicos
mais eficientes;

a capacidade de se preparar melhor
para eventos climáticos catastróficos;

ou até mesmo o poder
de afastar os furacões.

E, é claro, viagens mais calmas a milhões
de passageiros de companhias aéreas.