A turbulência está em toda parte - ela sacode nossos aviões e cria minúsculos redemoinhos em nossas banheiras - mas é um dos fenômenos menos compreendidos da física clássica.

A turbulência ocorre quando um fluxo de fluido ordenado se quebra em pequenos vórtices, que interagem entre si e se dividem em vórtices ainda menores, que interagem entre si e assim por diante, tornando-se o turbilhão caótico da desordem que torna o rafting tão divertido.

Mas a mecânica dessa descida ao caos intrigou os cientistas durante séculos.

Quando eles não entendem algo, os físicos têm uma solução certa:esmague-os juntos. Quer entender os blocos de construção fundamentais do universo? Esmague as partículas juntas. Quer desvendar a mecânica subjacente da turbulência? Esmague vórtices juntos.

Pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson podem ter identificado um mecanismo fundamental pelo qual a turbulência se desenvolve ao esmagar anéis de vórtice uns contra os outros, registrando os resultados com câmeras de resolução ultra-alta, e reconstruir a dinâmica de colisão usando um programa de visualização 3D. Juntamente com a análise de simulações numéricas realizadas por colaboradores da University of Houston e ENS de Lyon, os pesquisadores obtiveram uma visão sem precedentes sobre como os sistemas fluídicos se transformam de ordem em desordem.

A pesquisa é descrita em Avanços da Ciência .

"Nossa capacidade de prever o tempo, entender por que um Boeing 747 voa mesmo com correntes turbulentas em seu rastro, e determinar os fluxos globais no oceano depende de quão bem modelamos a turbulência, "disse Shmuel Rubinstein, Professor Associado de Física Aplicada na SEAS e autor correspondente do artigo. "Contudo, nosso entendimento da turbulência ainda carece de uma descrição mecanicista que explique como a energia desce em cascata para escalas cada vez menores até que seja eventualmente dissipada. Esta pesquisa abre a porta exatamente para esse tipo de compreensão. "

"Tentar entender o que está acontecendo em um sistema extremamente complexo como a turbulência é sempre um desafio, "disse Rodolfo Ostilla-Mónico, Professor Assistente de Engenharia Mecânica da Universidade de Houston e autor correspondente do artigo. "Em cada escala de comprimento, os vórtices estão tensionando e comprimindo uns aos outros para gerar uma imagem caótica. Com este trabalho, podemos começar a isolar e observar interações simples de pares, e como isso leva a uma dinâmica rica quando um número suficiente deles está presente. "

Os físicos têm usado aceleradores de vórtice para entender turbulências desde a década de 1990, mas os experimentos anteriores não foram capazes de desacelerar e reconstruir a mecânica da colisão, no momento em que desce para o caos. Fazer isso, os pesquisadores sincronizaram uma folha de laser de digitalização poderosa com uma câmera de alta velocidade - capaz de capturar centenas de milhares de imagens por segundo - para digitalizar rapidamente toda a colisão em tempo real.

Eles usaram canhões de vórtice em um aquário de 75 galões para produzir os vórtices. Cada vórtice foi tingido de uma cor diferente, para que os pesquisadores pudessem observar como eles interagem quando colidem violentamente. Leva menos de um segundo para os anéis desaparecerem em uma nuvem de tinta após a colisão, mas dentro desse tempo, muita física acontece.

Primeiro, os anéis se estendem para fora à medida que se chocam e as bordas formam ondas anti-simétricas. As cristas dessas ondas se desenvolvem em filamentos semelhantes a dedos, que crescem perpendicularmente entre os núcleos em colisão.

Esses filamentos giram em sentido contrário com seus vizinhos, criando uma nova matriz de vórtices em miniatura que interagem entre si por milissegundos. Esses vórtices também formam filamentos, que por sua vez formam vórtices. A equipe de pesquisa observou três gerações desse ciclo em cascata, cada um como antes, apenas menor - uma boneca russa da desordem.

"Este comportamento semelhante de grande escala para pequena escala emerge muito rapidamente e ordenadamente antes que tudo se transforme em turbulência, "disse Ryan McKeown, um estudante de pós-graduação na SEAS e primeiro autor do artigo. "Este efeito em cascata é realmente emocionante porque pode apontar para um mecanismo universal de como essas interações funcionam, independente da escala. "

Além dos experimentos, a equipe de pesquisa também desenvolveu simulações numéricas para entender a dinâmica da quebra e quantificar como o espectro de energia da cascata evolui. A turbulência tem um espectro de energia muito específico e bem definido. Embora este sistema seja consideravelmente mais simples do que a turbulência que sacode um avião, os pesquisadores descobriram que o espectro de energia no estágio final de decomposição dos vórtices segue a mesma escala reveladora de turbulência totalmente desenvolvida.

"Esta é uma ótima indicação de que embora este seja um sistema diferente - por um breve período - ele está criando as mesmas condições de turbulência. É um ponto de partida, "disse McKeown.