p Por décadas, físicos, engenheiros e matemáticos não conseguiram explicar um fenômeno notável na mecânica dos fluidos:a tendência natural da turbulência nos fluidos de passar do caos desordenado para padrões perfeitamente paralelos de faixas turbulentas oblíquas. Esta transição de um estado de turbulência caótica para um padrão altamente estruturado foi observada por muitos cientistas, mas nunca entendi. p No Laboratório de Complexidade Emergente em Sistemas Físicos da EPFL, Tobias Schneider e sua equipe identificaram o mecanismo que explica esse fenômeno. Suas descobertas foram publicadas em Nature Communications .

p Do caos à ordem

p As equações usadas para descrever a grande variedade de fenômenos que ocorrem em fluxos de fluidos são bem conhecidas. Essas equações capturam as leis fundamentais da física que governam a dinâmica dos fluidos, uma matéria ensinada a todos os alunos de física e engenharia desde a graduação.

p Mas quando a turbulência entra em jogo, as soluções para as equações se tornam não lineares, complexo e caótico. Isso torna impossível, por exemplo, para prever o tempo em um horizonte de tempo estendido. No entanto, a turbulência tem uma tendência surpreendente de passar do caos para um padrão altamente estruturado de bandas turbulentas e laminares. Este é um fenômeno notável, no entanto, o mecanismo subjacente permaneceu oculto nas equações até agora.

p Aqui está o que acontece:quando um fluido é colocado entre duas placas paralelas, cada um se movendo em uma direção oposta, turbulência é criada. Inicialmente, a turbulência é caótica, em seguida, ele se auto-organiza para formar faixas oblíquas regulares, separados por zonas de calma (ou fluxos laminares). Nenhum mecanismo óbvio seleciona a orientação oblíqua das bandas ou determina o comprimento de onda do padrão periódico.

p Escondido em equações simples

p Schneider e sua equipe resolveram o mistério. "Como o físico Richard Feynman previu, a solução não seria encontrada em novas equações, mas sim dentro da equação que já estava disponível para nós, "explica Schneider." Até agora, os pesquisadores não tinham ferramentas matemáticas poderosas o suficiente para verificar isso. "

p Os pesquisadores combinaram uma dessas ferramentas, conhecida como teoria dos sistemas dinâmicos, com as teorias existentes sobre a formação de padrões em fluidos e simulações numéricas avançadas. Eles calcularam soluções de equilíbrio específicas para cada etapa do processo, permitindo-lhes explicar a transição do estado caótico para o estado estruturado.

p "Podemos agora descrever o mecanismo de instabilidade inicial que cria o padrão oblíquo, "explica Florian Reetz, o principal autor do estudo. "Resolvemos assim um dos problemas mais fundamentais em nosso campo. Os métodos que desenvolvemos ajudarão a esclarecer a dinâmica caótica dos padrões turbulento-laminares em muitos problemas de fluxo. Eles podem um dia nos permitir controlar melhor os fluxos."

p Um fenômeno importante

p Na mecânica dos fluidos, a formação do padrão de faixa é importante porque mostra como os fluxos turbulentos e laminares estão em competição constante uns com os outros para determinar o estado final do fluido, ou seja, turbulento ou laminar. Esta competição surge sempre que a turbulência se forma, como quando o ar flui sobre um carro. A turbulência começa em uma pequena área no teto do carro, mas então ele se espalha - porque a turbulência é mais forte do que o fluxo laminar neste caso particular. O estado final é, portanto, turbulento.

p Quando o padrão de listras se forma, isso significa que os fluxos laminar e turbulento são iguais em força. Contudo, isso é muito difícil de observar na natureza, fora das condições controladas de um laboratório. Esse fato aponta para a importância do sucesso dos pesquisadores da EPFL em explicar uma propriedade fundamental da turbulência. Não apenas suas descobertas são responsáveis ​​por um fenômeno que pode ser observado em um laboratório, mas podem ajudar a compreender e controlar melhor os fenômenos relacionados ao fluxo que ocorrem na natureza também.