Esquerda:esboço de Da Vinci de redemoinhos em uma piscina turbulenta. À direita:esquemático do espectro de energia correspondente ao fluxo dentro da região marcada no esboço de Da Vinci. Crédito:OIST
A água que sai de uma torneira comum conta uma história complexa de sua jornada através de um cano. Em altas velocidades, o fluxo jorrando da torneira é turbulento:caótico, desordenada - como a quebra das ondas do oceano.
Comparado aos fluxos laminares ordenados, como o fluxo constante da torneira em baixas velocidades, os cientistas sabem pouco sobre turbulência. Ainda menos se sabe sobre como os fluxos laminares se tornam turbulentos. Uma mistura de fluxos ordenados e desordenados, fluxos de transição ocorrem quando os fluidos se movem em velocidades intermediárias.
Agora, Dr. Rory Cerbus, Dra. Chien-chia Liu, Dr. Gustavo Gioia, e Dr. Pinaki Chakraborty, pesquisadores da Unidade de Mecânica dos Fluidos e da Unidade de Física Contínua da Universidade de Pós-Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST), basearam-se em uma teoria conceitual de turbulência de décadas atrás para desenvolver uma nova abordagem para estudar fluxos de transição. As descobertas dos cientistas, publicado em Avanços da Ciência , pode ajudar a fornecer uma visão mais abrangente, compreensão conceitual dos fluxos transitórios e turbulentos, com aplicações práticas em engenharia.
"A turbulência é muitas vezes apontada como o último problema não resolvido na física clássica - ela tem uma certa mística, "disse Cerbus." E ainda, sob condições idealizadas, temos uma teoria conceitual que ajuda a explicar fluxos turbulentos. Em nossa pesquisa, estamos nos esforçando para entender se essa teoria conceitual também pode lançar luz sobre os fluxos de transição. "
Encontrando ordem na desordem
Os cientistas há muito tempo são cativados por fluxos turbulentos. No século XV, Leonardo da Vinci ilustrou fluxos turbulentos como coleções de redemoinhos, ou correntes circulares, de tamanhos variados.
Séculos depois, em 1941, o matemático Andrey Kolmogorov desenvolveu uma teoria conceitual que revelou a ordem subjacente à energética de redemoinhos aparentemente desordenados.
Conforme descrito no esboço de DaVinci, um riacho mergulhando em uma piscina de água inicialmente forma um grande, redemoinho rodopiante, que rapidamente se torna instável e se divide em redemoinhos progressivamente menores. A energia é transferida de redemoinhos cada vez menores, até que os menores redemoinhos dissipem a energia por meio da viscosidade da água.
Esquerda:Fluxo em um tubo. Em altas velocidades, o fluxo é turbulento, e em velocidades intermediárias, transitório. O fluxo transicional é uma mistura de fluxos redemoinhos e fluxos laminares. Os fluxos redemoinhos vêm em diferentes variedades. As "lesmas" crescem agressivamente à medida que fluem rio abaixo; Os "puffs" mantêm um tamanho fixo à medida que fluem rio abaixo. À direita:esquema dos espectros de energia correspondentes ao fluxo dentro das regiões marcadas. Independentemente da variedade de fluxo, o espectro de energia é universal para pequenos redemoinhos. Crédito:OIST
Capturar essas imagens na linguagem da matemática, A teoria de Kolmogorov prevê o espectro de energia, uma função que descreve como a energia cinética - a energia do movimento - é distribuída entre redemoinhos de tamanhos diferentes.
Mais importante, a teoria diz que a energética dos pequenos redemoinhos é universal, o que significa que embora os fluxos turbulentos possam parecer diferentes, os menores redemoinhos em todos os fluxos turbulentos têm o mesmo espectro de energia.
"Que esses conceitos simples podem elucidar com elegância um problema aparentemente intratável, Eu acho realmente extraordinário, "disse Chakraborty.
Mas há um porém. A teoria de Kolmogorov é amplamente considerada para se aplicar apenas a um pequeno conjunto de fluxos idealizados, e não os fluxos da vida cotidiana, incluindo os fluxos de transição.
Para estudar esses fluxos de transição, Cerbus e seus colaboradores conduziram experimentos com água fluindo através de um Tubo cilíndrico de vidro com 2,5 centímetros de diâmetro. Os pesquisadores adicionaram pequenas, partículas ocas com aproximadamente a mesma densidade da água, permitindo-lhes visualizar o fluxo. Eles usaram uma técnica chamada velocimetria laser Doppler para medir as velocidades dos redemoinhos nos fluxos de tubos de transição. Com essas velocidades medidas, eles calcularam o espectro de energia.
Surpreendentemente, os pesquisadores descobriram que, apesar de parecer diferente de fluxos turbulentos, o espectro de energia correspondente aos pequenos redemoinhos nos fluxos de transição conformados ao espectro de energia universal da teoria de Kolmogorov.
Além de fornecer uma nova compreensão conceitual dos fluxos de transição, esta descoberta tem aplicações em engenharia. Nas últimas duas décadas, A pesquisa de Gioia e Chakraborty mostrou que os espectros de energia podem ajudar a prever o atrito entre o fluxo e o tubo - uma grande preocupação para os engenheiros. Quanto mais fricção em um tubo, mais difícil é bombear e transportar fluidos como o óleo.
"Nosso estudo combina idéias matemáticas esotéricas com fatores que preocupam os engenheiros, "disse Chakraborty." E, descobrimos que as teorias de Kolmogorov têm uma aplicabilidade mais ampla do que qualquer um pensava. Esta é uma visão nova e empolgante da turbulência, bem como da transição para a turbulência. "
