Resultados de um novo estudo podem finalmente nos dar ‘horários’ para turbulência: ScienceAlert

Ergebnisse einer neuen Studie könnten uns endlich „Zeitpläne“ für Turbulenzen liefern: ScienceAlert

Com a física certa, é possível explodir uma caixa de circuitos em todo o Sistema Solar com precisão exata para chegar a um fio de mundos distantes.

Mas misture um pouco de leite em seu chá e o melhor que os físicos podem fazer é arriscar um palpite sobre os tipos de padrões que você verá girando na bebida.

Os fluidos são elementos verdadeiramente caóticos no que diz respeito à ciência, mas uma nova maneira de calcular seu movimento pode em breve tornar seu fluxo muito mais previsível.

Não apenas os cientistas poderiam usar isso para melhorar nossa compreensão da hidrodinâmica, mas poderia tornar tudo, desde previsões meteorológicas até projetos de veículos muito mais precisos.

Físicos do Instituto de Tecnologia da Geórgia mostraram que é possível identificar momentos em que a turbulência reflete padrões mensuráveis, efetivamente encontrando cintilações de ordem matematicamente ordenada dentro do pandemônio.

“Por quase um século, a turbulência foi descrita estatisticamente como um processo aleatório”, diz O físico da Georgia Tech Roman Grigoriev.

“Nossos resultados fornecem a primeira ilustração experimental de que, em escalas de tempo adequadamente curtas, a dinâmica da turbulência é determinística – e a conecta às equações governantes determinísticas subjacentes”.

Turbulência é difícil de prever em grande parte por causa da forma como pequenos redemoinhos, ou redemoinhos, se formam em um fluido. Quando o material flui em linha reta em uma corrente suave, é fácil prever sua velocidade e trajetória. Se algum caminho na corrente se tornar lento, talvez sendo arrastado por uma superfície menos móvel, o fluido se enrolará sobre si mesmo.

A cada nova corrente de ondulação, forma-se uma nova superfície que pode produzir novos turbilhões.

Só para complicar ainda mais, cada vórtice se comporta de acordo com o capricho de uma série de fatores – da pressão à viscosidade – rapidamente somando-se a uma tempestade em uma xícara de chá que nenhum computador poderia esperar acompanhar.

De perto, tudo parece tão aleatório. Dê um passo para trás e as estatísticas deixam claro que o processo geral permanece firmemente embutido nas mesmas regras antigas que governam todos os outros objetos em movimento no Universo.

“A turbulência pode ser pensada como um carro seguindo uma sequência de estradas”, diz Grigoriev.

“Talvez uma analogia ainda melhor seja um trem, que não apenas segue uma ferrovia em um horário prescrito, mas também tem a mesma forma da ferrovia que está seguindo.”

Assim como em nossa ferrovia analógica, é possível descrever a turbulência como uma simulação numérica ou por meio de modelos físicos. E assim como um horário de trem é útil para fazer você trabalhar na hora, seguir uma abordagem matemática para turbulência é o único caminho a percorrer se você quiser previsões confiáveis.

Infelizmente, todos esses números podem se somar rapidamente, tornando os cálculos caros.

Para ver se havia uma maneira de simplificar as previsões, a equipe montou um tanque com paredes transparentes e um fluido contendo minúsculas partículas fluorescentes. Canalizar o fluido entre um par de cilindros giratórios independentemente e acompanhar o conteúdo brilhante era como assistir trens passando pela estação em tempo real.

No entanto, os pesquisadores realmente precisavam criar horários primeiro e ver quais se pareciam com o que estavam vendo.

Isso envolveu soluções de computação para um conjunto de equações declarado há quase 200 anos. Ao alinhar o experimento com os resultados matemáticos, a equipe pôde identificar quando surgiram padrões particulares de turbulência chamados estruturas coerentes.

Embora surjam regularmente em fluidos em movimento, o tempo de estruturas coerentes é imprevisível. Nesta configuração em particular, as estruturas coerentes aderiram a um padrão quasiperiódico composto por duas frequências – uma lançada em torno do eixo de simetria do fluxo, a outra baseada em outro conjunto de mudanças na corrente circundante.

Embora não seja exatamente um conjunto simples de equações que pode descrever a turbulência em todas as suas formas, ele demonstra o papel que as estruturas coerentes podem desempenhar para torná-las mais previsíveis.

Ao expandir este trabalho, pesquisas futuras poderiam tornar seus ‘horários’ de turbulência mais dinâmicos, descrevendo-os com mais detalhes do que as médias estatísticas poderiam fornecer.

“Ele pode nos dar a capacidade de melhorar drasticamente a precisão das previsões meteorológicas e, principalmente, permitir a previsão de eventos extremos, como furacões e tornados”, disse. diz Grigoriev.

“A estrutura dinâmica também é essencial para nossa capacidade de projetar fluxos com propriedades desejadas, por exemplo, arrasto reduzido em torno de veículos para melhorar a eficiência do combustível ou transporte de massa aprimorado para ajudar a remover mais dióxido de carbono da atmosfera na indústria emergente de captura direta de ar”.

Pode até finalmente dizer o que esperar na sua próxima xícara de chá.

Esta pesquisa foi publicada em PNAS.