În timp ce ordinea se transformă adesea în haos, uneori invers este adevărat. Lichidul turbulent, de exemplu, are tendința de a forma spontan un model ordonat: dungi paralele.
Deși fizicienii au observat acest fenomen experimental, ei pot acum explica de ce se întâmplă acest lucru folosind ecuațiile fundamentale ale dinamicii fluidelor, aducându-le un pas mai aproape de a înțelege de ce particulele se comportă în acest mod.
În laborator, când un lichid este plasat între două plăci paralele care se mișcă în direcții opuse una de cealaltă, fluxul său devine turbulent. Dar după puțin timp, turbulența începe să se netezească într-un model cu dungi. Ceea ce rezultă este o pânză de linii netede și turbulente care circulă într-un unghi cu fluxul (imaginați-vă valuri ușoare create de vânt într-un râu).
„Obțineți o structură și o ordine clară din mișcarea haotică a turbulenței”, a declarat autorul senior Tobias Schneider, profesor asistent la școala de inginerie la Institutul Federal Elvețian de Tehnologie Lausanne. Acest comportament „ciudat și foarte obscur” i-a „fascinat pe oamenii de știință mult timp”.
Fizicianul Richard Feynman a prezis că explicația trebuie ascunsă în ecuațiile fundamentale ale dinamicii fluidelor, numite ecuații Navier-Stokes.
Dar aceste ecuații sunt foarte greu de rezolvat și de analizat, a spus Schneider pentru Live Science. (Arătând că ecuațiile Navier-Stokes au chiar o soluție lină la fiecare punct pentru un fluid 3D este una dintre problemele de 1 milion dolari ale premiului Mileniului.) Deci, până în acest moment, nimeni nu știa cum ecuațiile au prezis aceste comportamente care formează modelul. Schneider și echipa sa au folosit o combinație de metode, inclusiv simulări computerizate și calcule teoretice pentru a găsi un set de „soluții foarte speciale” la aceste ecuații care descriu matematic fiecare pas al tranziției de la haos la ordine.
Cu alte cuvinte, au descompus comportamentul haotic în blocurile sale de construcție care nu sunt haotice și au găsit soluții pentru fiecare bucată mică. "Comportamentul pe care îl observăm nu este o fizică misterioasă", a spus Schneider. „Este oarecum ascunsă în ecuațiile standard care descriu fluxul de fluid”.
Acest tipar este important de înțeles, deoarece arată modul în care turbulentul și calmul, altfel cunoscut sub numele de „flux laminar”, concurează între ei pentru a determina starea finală, potrivit unui comunicat. Când apare acest tipar, fluxurile turbulente și laminare sunt egale în forță - fără nicio parte câștigând remorcherul.
Dar acest model nu se vede cu adevărat în sistemele naturale, cum ar fi turbulențele în aer. Schneider observă că un tipar ca acesta ar fi de fapt „destul de rău” pentru avion, deoarece ar trebui să zboare printr-un eșafod de linii tulburi turbulente și nu turbulente.
Mai degrabă, scopul principal al acestui experiment a fost să înțeleagă fizica fundamentală a fluidelor într-un mediu controlat, a spus el. Doar înțelegând mișcările foarte simple ale fluidelor, putem începe să înțelegem sistemele mai complexe de turbulență care există pretutindeni în jurul nostru, de la fluxul de aer din jurul aeronavelor până la interiorul conductelor, a adăugat el.
Cercetătorii și-au publicat descoperirile pe 23 mai în revista Nature Communications.
