Τύρβη: Ένα από τα μεγάλα άλυτα μυστήρια της φύσης - Τομάς Χορ

Βρείτε ολόκληρο το μάθημα στο: https://ed.ted.com/lessons/turbulence-one-of-the-great-unsolved-mysteries-of-physics-tomas-chor

Βρίσκεσαι σ' ένα αεροπλάνο όταν ξαφνικά αισθάνεσαι ένα δυνατό τράνταγμα. Κοιτάς έξω από το παράθυρο και δεν βλέπεις τίποτα, ωστόσο το αεροπλάνο εξακολουθεί να τραντάζεται καθώς περνάει μέσα από τα τυρβώδη στρώματα της ατμόσφαιρας. Τι ακριβώς είναι η τύρβη και γιατί συμβαίνει; Ο Τομάς Χορ βουτάει σ' ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της φύσης: Το μυστηριώδες φαινόμενο της τύρβης.

Μάθημα από τον Τομάς Χορ, σκηνοθεσία από την Μπιλιάνα Λαμπόβιτς.

Βρίσκεσαι σ' ένα αεροπλάνο όταν ξαφνικά
αισθάνεσαι ένα δυνατό κούνημα.

Κοιτάς από το παράθυρο
και δεν φαίνεται να συμβαίνει τίποτα,

ωστόσο το αεροπλάνο συνεχίζει να ταρακουνά
εσένα και τους συνεπιβάτες σου,

καθώς περνά μέσα από τυρβώδεις
δίνες της ατμόσφαιρας.

Αν και αυτό που θα πω
δεν θα σας καθησυχάσει,

το φαινόμενο αυτό είναι
από τα μεγαλύτερα μυστήρια της φυσικής.

Μετά από πάνω από έναν αιώνα
μελετών σχετικά με την τύρβη

εξακολουθούμε να έχουμε
ελάχιστες πληροφορίες

για το πώς λειτουργεί κι επηρεάζει
τον κόσμο γύρω μας.

Ωστόσο η τύρβη βρίσκεται παντού

κι εμφανίζεται σε κάθε σύστημα
που έχει κινούμενα ρευστά.

Όπως ο αέρας που διασχίζει
το αναπνευστικό μας σύστημα.

Το αίμα που κυλά στις αρτηρίες μας.

Και ο καφές που ανακατεύουμε
μέσα στην κούπα μας.

Η τύρβη κανονίζει την κίνηση
των νεφών στον ουρανό,

καθώς και τα κύματα που σκάνε στην ακτή
και τις ηλιακές εκλάμψεις πλάσματος.

Η κατανόηση του ακριβούς μηχανισμού
λειτουργίας αυτού του φαινομένου

θα επηρέαζε θετικά
πολλές πτυχές της ζωής μας.

Να λοιπόν τι γνωρίζουμε μέχρι στιγμής.

Τα ρευστά και τα αέρια συνήθως
εμφανίζουν δύο τρόπους ροής:

Τη στρωτή ροή που είναι σταθερή και ομαλή,

και την τυρβώδη ροή που χαρακτηρίζεται
από φαινομενικά ανοργάνωτες δίνες.

Φανταστείτε τον καπνό
ενός αρωματικού στικ.

Η στρωτή ροή του καπνού κοντά στη βάση
είναι ομαλή κι εύκολα προβλέψιμη.

Κοντά στην κορφή, ωστόσο,

ο καπνός επιταχύνεται και γίνεται ασταθής,

και η κίνησή του γίνεται κάπως χαοτική.

Αυτή είναι η τυρβώδης ροή.

Οι ροές σαν κι αυτήν έχουν
ορισμένα κοινά χαρακτηριστικά.

Πρώτα, η τύρβη είναι πάντα χαοτική.

Αυτό διαφέρει από το να την πούμε τυχαία

και σημαίνει πως η τυρβώδης ροή
είναι πολύ ευαίσθητη στις αλλαγές.

Μια μικρή παρέμβαση εδώ κι εκεί,

τελικά θα επιφέρει
πολύ διαφορετικά αποτελέσματα.

Αυτό καθιστά την πρόβλεψή τους
σχεδόν αδύνατη,

ακόμα κι αν έχουμε πληθώρα πληροφοριών
για την παρούσα κατάσταση ενός συστήματος.

Ένα άλλο σημαντικό
χαρακτηριστικό της τύρβης

είναι οι διαφορετικές κλίμακες κίνησης
που εμφανίζουν αυτές οι ροές.

Οι τυρβώδεις ροές αποτελούνται
από πολλαπλές δίνες διαφόρων μεγεθών,

που είναι σαν στρόβιλοι
σε διάφορα μεγέθη και μορφές.

Όλες αυτές οι δίνες
αλληλοεπιδρούν μεταξύ τους

και διασπώνται σε ολοένα
και μικρότερες δίνες,

έως ότου όλη αυτή η κίνηση
μετατραπεί σε θερμότητα,

σε μια διαδικασία που ονομάζεται
«ενεργειακός καταρράκτης».

Έτσι λοιπόν αναγνωρίζουμε την τύρβη.

Γιατί όμως συμβαίνει;

Σε κάθε κινούμενο ρευστό
επιδρούν δύο διαφορετικές δυνάμεις.

Η δύναμη της αδράνειας και του ιξώδους.

Η αδράνεια είναι η τάση των υγρών
και αερίων να ρέουν συνεχώς,

και η οποία προκαλεί αστάθεια.

Το ιξώδες λειτουργεί κατά των διαταραχών

και κάνει τη ροή στρωτή.

Σε παχύρευστα υλικά σαν το μέλι,

το ιξώδες σχεδόν πάντα υπερτερεί.

Λιγότερο παχύρευστα υλικά, όπως το νερό
και ο αέρας, τείνουν προς την αδράνεια,

η οποία δημιουργεί αστάθεια
που εξελίσσεται εντέλει σε τύρβη.

Κατηγοριοποιούμε τις ροές
μέσα σ' αυτό το εύρος

με κάτι που ονομάζουμε αριθμό Ρέινολντς.

Είναι ο λόγος των δυνάμεων της αδράνειας
μιας ροής προς το ιξώδες της.

Όσο πιο μεγάλος ο αριθμός Ρέινολντς,

τόσο περισσότερες οι πιθανότητες
να εμφανιστεί τύρβη.

Το μέλι π.χ. που ρέει σ' ένα ποτήρι

έχει αριθμό Ρέινολτς ίσο με τη μονάδα.

Εάν αντί για μέλι χρησιμοποιήσουμε νερό
ο αριθμός αυτός γίνεται 10.000.

Ο αριθμός Ρέινολντς μας διευκολύνει
να καταλάβουμε τα απλά σενάρια,

μα σε πολλές περιπτώσεις
είναι αναποτελεσματικός.

Για παράδειγμα, η κίνηση της ατμόσφαιρας
επηρεάζεται σημαντικά

από παράγοντες όπως η βαρύτητα
και η περιστροφή της Γης,

ακόμα και απλώς από την αντίσταση
του αέρα σε κτίρια κι αυτοκίνητα.

Χάρη σε πειράματα ή εμπειρική γνώση
μπορούμε να τα μοντελοποιήσουμε όλα αυτά.

Όμως οι φυσικοί προτιμούν να τα προβλέπουν
με φυσικούς νόμους κι εξισώσεις,

όπως τα κατάφεραν με την τροχιά των
πλανητών και τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία.

Οι περισσότεροι επιστήμονες
πιστεύουν ότι θα το καταφέρουμε

με τη στατιστική και την αυξημένη
υπολογιστική δύναμη.

Μέθοδοι προσομοίωσης από τυρβώδεις ροές
σε υπερταχύτατους υπολογιστές

ίσως οδηγήσουν στην αναγνώριση μοτίβων
κι έπειτα στη δημιουργία μιας θεωρίας

που να οργανώνει και να ενοποιεί
τις προβλέψεις διαφορετικών περιπτώσεων.

Άλλοι επιστήμονες πιστεύουν πως πρόκειται
για τόσο περίπλοκο πρόβλημα,

που μία τόσο ολοκληρωμένη θεωρία
δεν θα μπορέσει ποτέ να υπάρξει.

Ευελπιστούμε τελικά
να σημειώσουμε σημαντική πρόοδο,

γιατί η πλήρης κατανόηση της τύρβης
θα έχει τρομερά ωφέλη.

Θα οδηγήσει σε πιο αποδοτικές
ανεμογεννήτριες.

Θα μας βοηθήσει να προλαμβάνουμε
τις καταστροφές από καιρικά φαινόμενα

ή ίσως ακόμα και να τις ελέγχουμε.

Και, φυσικά, θα οδηγήσει σε πιο ήρεμες
πτήσεις για εκατομμύρια επιβάτες.