A repülőben ülve hirtelen rántást érzünk.
Az ablakon kinézve kinn semmi különös sem látszik,
de a repülő mégis rángatja az utasokat,
amint turbulens légáramlaton halad át.
Noha ez nem megnyugtató,
a jelenség a fizika egyik régóta megoldatlan rejtélye.
Több mint egy évszázada tanulmányozzuk a turbulenciát,
de csak pár választ leltünk arra, hogyan is működik,
és hogyan hat környezetünkre.
Ám a turbulencia mindenütt jelen van,
bármely áramló közeget tartalmazó rendszerben előbukkan,
többek közt légútjaink levegőáramában,
ütőereink véráramában,
csészénkben kavargatott kávénkban is.
A felhőket turbulenciák igazgatják,
akárcsak partokat csapkodó hullámokat vagy a napszél plazmaáramát.
A jelenség pontos megértése
kihatással lenne életünk megannyi területére.
Egyelőre ezt tudjuk róla.
A folyadékok és gázok kétféleképpen mozognak:
lamináris áramlással, amely egyenletes és akadálytalan,
és turbulens áramlással, amely részben szabálytalan örvényekből áll.
Képzeljünk el egy füstölőpálcát.
A tövénél lévő háborítatlan füst lamináris árama nyugodt, viselkedése megjósolható.
Ám a csúcsához közelebb
a füst fölgyorsul, labilissá lesz,
és mozgása kaotikussá válik.
Ez működés közben a turbulencia.
A turbulens áramlásnak van pár jellemző tulajdonsága.
Először: a turbulencia mindig kaotikus.
Ez nem azt jelenti, hogy véletlenszerű,
hanem azt, hogy nagyon érzékeny a zavarásokra.
Bármilyen irányú kis ráhatás
a végén teljesen különböző eredményekre vezethet.
Ezért szinte kiszámíthatatlan, hogy mi fog történni,
még a rendszer jelenlegi állapotának ismeretében is.
A turbulencia másik jellemzője,
hogy az áramlat mozgásának léptéke eltérő.
A turbulens áramlatokban különböző nagyságú örvények és forgatagok vannak,
ezek más-más méretű és alakú tölcsérekre hasonlítanak.
Az örvények kölcsönhatásba lépnek egymással,
fokozatosan szétesnek, egyre kisebbekké válnak mindaddig,
míg az összes kinetikus energia hővé nem alakul
az ún. energetikai kaszkádfolyamat során.
Erről ismerszik meg a turbulencia.
De miért keletkezik?
Minden áramló folyadékra vagy gázra két ellentétes erő hat:
a tehetetlenség és a viszkozitás.
A tehetetlenség a folyadékok törekvése mozgásállapotuk megtartására,
amely labilitást okoz.
A viszkozitás a változással szembeni ellenálló képesség,
amely eközben lamináris mozgást hoz létre.
A mézszerű sűrű folyadékokban
majdnem mindig a viszkozitás a döntő.
A kevésbé viszkózus közegek, pl. a víz vagy levegő esetén a tehetetlenség döntő,
amely turbulenciába forduló labilitást okoz.
Hogy az áramlást melyik állapot jellemzi,
azt a Reynolds-számmal adjuk meg;
ez az áramlat tehetetlenségi erőinek és viszkózus erőinek aránya.
Minél nagyobb a Reynolds-szám,
annál valószínűbb, hogy turbulens mozgás jön létre.
Pl. a csészébe öntött méz Reynolds-száma
körülbelül 1-gyel egyenlő.
Víz esetén a Reynolds-szám nagyságrendileg 10 000.
A Reynolds-szám egyszerű jelenségekre jól használható,
de más esetekre kevéssé hasznos.
Pl. a légkör mozgására jelentősen hat
a gravitáció és a Föld forgása.
Vagy pl. vegyük az épületek vagy autók viszonylag egyszerű légellenállását.
Ezek a körülmények kísérletek és empirikus adatok alapján modellezhetők.
De fizikusok törvényekkel s egyenletekkel szeretnék megjósolni viselkedésüket,
ahogy az elektromágneses tereket vagy a bolygók pályáját modellezzük.
A legtöbb kutató úgy véli, hogy ehhez statisztikai adatokra
és nagyobb teljesítményű számítógépekre van szükség.
A turbulens áramlások szuperszámítógépes szimulációja
hozzájárulhat a törvényszerűségek megállapításához,
amelyek rendszereznék s egységbe foglalnák az egyes helyzetek prognózisait.
Más tudósok szerint a jelenség annyira összetett,
hogy átfogó elméletben nem reménykedhetünk.
Remélhetőleg azért áttörést érhetünk el,
mert a turbulencia teljes megértése előnyös hatással járhat.
Ezek közé tartoznak a hatékonyabb szélerőművek,
a katasztrofális időjárásra való jobb felkészülés,
vagy az orkánok elhárítása is.
És persze, a milliónyi repülőgéputas simább utazása is.