Se um fluido está fluindo através de encanamentos domésticos ou oleodutos industriais e gasodutos, quando corre devagar, seu fluxo é suave, mas quando corre rapidamente, seu fluxo é mais caótico.

Mais de 130 anos atrás, O físico e engenheiro britânico Osborne Reynolds descreveu o fluido fluindo em baixas velocidades como 'laminar, 'o que significa que flui suavemente em uma única direção, e fluido fluindo em altas velocidades como 'turbulento, 'o que significa que experimenta mudanças caóticas de pressão e energia. Reynolds desenvolveu um conjunto de equações para descrever a relação entre a velocidade com que um fluido flui e o atrito que é criado entre ele e o tubo.

Os engenheiros ainda usam as "leis de resistência" de Reynolds hoje para calcular quanta energia é perdida com o atrito à medida que líquidos e gases fluem por um tubo. Contudo, um mistério permanece sem solução:o que acontece quando um fluxo passa de laminar para turbulento?

"No fluxo de transição, o atrito varia sem padrões discerníveis, "diz o Dr. Rory Cerbus, um pesquisador de pós-doutorado no Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa Graduate University (OIST). Até agora, as leis de resistência para o fluxo transicional eram desconhecidas, dificultando o cálculo do atrito e da perda de energia durante esse tipo de fluxo.

Cerbus e outros pesquisadores da Unidade de Mecânica dos Fluidos e da Unidade de Física do Contínuo do OIST encontraram uma solução surpreendentemente simples para esse enigma de 130 anos. "Nós mostramos isso, embora o estado de transição pareça ser uma mistura de estados de fluxo, tudo isso pode ser caracterizado por leis que já conhecemos, "diz o professor Pinaki Chakraborty, líder da Unidade de Mecânica dos Fluidos. "Isso simplifica um problema fundamental."

O fluxo de transição é conhecido por consistir em manchas intermitentes de diferentes tipos de fluxo, que se alternam ao longo do pipeline. Na abordagem padrão para medir o atrito no fluxo transicional, eles são simplesmente agrupados.

Em vez disso, os pesquisadores do OIST analisaram as manchas de fluxo suave e caótico separadamente. Eles correram água por um tubo de vidro de 20 metros. Ao adicionar pequenas partículas à água e iluminá-la com um laser, eles podiam medir a velocidade do fluxo. Isso permitiu que eles identificassem claramente as manchas alternadas de fluxo suave e caótico no fluxo transicional. Eles então mediram o atrito dentro dos patches individuais usando sensores de pressão.

"Repetimos um experimento de livro que é rotineiramente feito por milhares de estudantes de engenharia todos os anos em todo o mundo, "diz Cerbus, autor principal do artigo, que foi publicado recentemente em Cartas de revisão física . "Usamos essencialmente as mesmas ferramentas, mas com a distinção crucial de analisar os patches separadamente, " ele diz.

Os pesquisadores mostraram que, apesar das complexidades externas, a lei da resistência para os remendos lisos é consistente com o fluxo laminar, enquanto a lei da resistência para as manchas caóticas é consistente com o fluxo turbulento. Portanto, o fluxo transicional pode ser estudado usando as leis originais de resistência de Reynolds.

Compreender quanta energia é necessária para bombear o fluido através de um oleoduto quando ele está fluindo no estado de transição pode ajudar as indústrias, como refinarias de petróleo, minimizar o desperdício de energia e melhorar a eficiência.

"Se você olhar com atenção, você descobre que muitas vezes há simplicidade por trás da complexidade, "diz Chakraborty.