Turbulențele: unul din marile mistere ale fizicii - Tomás Chor

Vezi întreaga lecție: https://ed.ted.com/lessons/turbulence-one-of-the-great-unsolved-mysteries-of-physics-tomas-chor

Ești într-un avion când deodată simți o zdruncinătură. Afară nu pare să se întâmple nimic, însă avionul continuă să te zdruncine pe tine și pe restul pasagerilor în timp ce trece prin turbulențe atmosferice. Ce sunt de fapt turbulențele și de ce au loc? Tomás Chor investighează unul dintre misterele fizicii: fenomenul complex al turbulențelor.

Lecție de Tomás Chor, regia de Biljana Labovic

Ești într-un avion când deodată,
simți o zdruncinătură subită.

Afară nimic nu pare să se întâmple,

totuși avionul continuă să te zdruncine,
pe tine și pe ceilalți pasageri,

când trece prin curenții turbulenți
din atmosferă.

Chiar dacă poate nu te liniștește
să știi asta,

acest fenomen e încă un mister al fizicii.

După mai mult de un secol de cercetare
a turbulențelor

am găsit doar câteva răspunsuri
despre cum funcționează

și cum influențează lumea din jur.

Și totuși, turbulențele sunt omniprezente,

apărând practic în orice sistem
ce are fluide în mișcare.

Asta include fluxul de aer
din sistemul tău respirator.

Sângele care circulă prin artere.

Și cafeaua din cană în timp ce o amesteci.

Norii sunt conduși de turbulențe,

precum și valurile ce se sparg la mal
și jeturile de plasmă din soarele nostru.

Înțelegând exact
cum funcționează acest fenomen

ar avea un impact în foarte multe
dintre aspectele vieții noastre.

Iată ce știm.

Lichidele și gazele au de obicei
două tipuri de mișcări:

un flux laminar, stabil și lin,

și un flux turbulent,
compus din vârtejuri dezorganizate.

Imaginează-ți un bețișor parfumat.

Fluxul laminar de fum neperturbat
de la bază e stabil și ușor de prezis.

Aproape de vârf însă,

fumul accelerează, devine instabil,

iar mișcarea devine una haotică.

Așa arată turbulențele,

iar fluxurile turbulente
au câteva caracteristici în comun.

În primul rând,
turbulențele sunt mereu haotice.

Asta nu înseamnă că sunt aleatorii.

În schimb, înseamnă că turbulențele
sunt foarte sensibile.

Un mic imbold într-o direcție sau alta

va duce în final
la rezultate complet diferite.

Asta o face aproape imposibil de prezis,

chiar și cu multe informații
despre starea curentă a unui sistem.

O altă caracteristică importantă
a turbulențelor

e gama largă de mișcări ale acestora.

Fluxurile turbulente au multe vârtejuri
de diferite mărimi sau curenți turbionari,

ce sunt un fel de vortexuri
de diferite mărimi și forme.

Toate aceste vârtejuri
interacționează între ele,

rupându-se și devenind
din ce în ce mai mici,

până când toată mișcarea
e transformată în căldură,

printr-un proces numit
„cascadă de energie”.

Așadar știm
cum să recunoaștem turbulențele,

dar de ce au loc?

În fiecare lichid sau gaz în mișcare
există două forțe opuse:

inerție și vâscozitate.

Inerția e tendința fluidelor
de a se mișca continuu,

ceea ce cauzează instabilitate.

Vâscozitatea acționează
împotriva întreruperilor,

făcând fluxul laminar.

În fluidele dense precum mierea,

vâscozitatea câștigă aproape mereu.

Substanțe mai puțin vâscoase precum
apa sau aerul sunt susceptibile inerției,

ceea ce creează instabilități
care se dezvoltă în turbulențe.

Măsurăm unde se situează un flux
în acel spectru

folosind ceva numit „numărul Reynolds”,

ce reprezintă proporția
dintre vâscozitatea și inerția unui flux.

Cu cât e mai mare numărul Reynolds,

cu atât e mai probabil
ca turbulențele să aibă loc.

Mierea turnată într-o cană de exemplu

are un număr Reynolds egal cu 1.

În cazul apei, numărul Reynolds
e apropiat de 10.000.

Numărul Reynolds e util
pentru a înțelege scenarii simple,

dar e ineficient în multe situații.

De exemplu, mișcarea atmosferică
e puternic influențată

de factori precum
gravitația și rotația Pământului.

Sau în lucruri relativ simple precum forța
de frânare a clădirilor și mașinilor.

Le putem simula datorită
multor experimente și dovezi empirice.

Dar fizicienii vor să le poată prezice
prin legi și ecuații,

la fel ca în cazul orbitelor planetelor
sau câmpurilor electromagnetice.

Mulți oameni de știință cred
că trebuie să ne bazăm pe statistici

și pe puterea computerelor.

Simulări computerizate
ale fluxurilor turbulente

ne-ar putea ajuta să găsim tipare
care să ducă spre o teorie

care să unifice și să organizeze
prezicerile în mai multe situații.

Alți cercetători cred că fenomenul
e atât de complex,

încât o astfel de teorie unificată
nu va fi posibilă.

Sperăm că vom ajunge la o concluzie,

pentru că o înțelegere a turbulențelor
ar avea un impact pozitiv enorm.

Asta ar include mori de vânt
mai eficiente,

capacitatea de a ne pregăti mai bine
pentru evenimente catastrofale

sau chiar puterea de a manipula uraganele.

Și bineînțeles, zboruri mai line
pentru milioane de pasageri.