Quer se trate de sopros cardíacos e transporte oleoduto de óleo, ou aviões esburacados e a dispersão de poluentes, a turbulência desempenha um papel importante em muitos eventos diários. Mas apesar de ser comum, os cientistas ainda não entendem completamente o comportamento aparentemente imprevisível dos redemoinhos e redemoinhos em fluxos turbulentos.

Agora, uma nova técnica para medir fluxos turbulentos foi desenvolvida por uma colaboração internacional de cientistas do Instituto de Ciência e Tecnologia da Universidade de Graduação (OIST) de Okinawa no Japão, junto com a Universidade de Genova, Itália, KTH Estocolmo, Suécia e ETH Zurique, Suíça. Usando fibras em vez de partículas - o método usual de medição - os pesquisadores puderam obter uma imagem mais detalhada dos fluxos turbulentos. Seu método foi relatado em 17 de setembro na revista, Revisão Física X .

"A turbulência é um fenômeno único e complicado, é até chamado de o último problema não resolvido da física clássica, "disse o Dr. Stefano Olivieri, um pesquisador de pós-doutorado da Unidade de Fluidos e Fluxos Complexos do OIST, quem foi o autor do estudo. "É difícil prever, difícil de simular, e difícil de medir. "

Medir fluxos turbulentos é um desafio urgente para os físicos por várias razões. A turbulência não é apenas caracterizada por sua natureza caótica e aleatória, mas também ocorre em várias escalas ao mesmo tempo. Em fluxos turbulentos, os vórtices rodopiantes de fluido se quebram em redemoinhos que são cada vez menores em escala, até que os redemoinhos são tão pequenos e viscosos que a energia cinética do fluido é transferida para o ambiente como calor.

Atualmente, a maneira mais comum de medir fluxos turbulentos é rastreando o movimento das partículas, chamados traçadores, que são adicionados ao fluido. Essas partículas são minúsculas e de densidade semelhante à do fluido, e, portanto, mova-se na mesma velocidade e na mesma direção do fluxo.

Mas, para observar como cada redemoinho de fluido está se movendo, ver como uma partícula se move não é suficiente. Os físicos precisam ser capazes de determinar como duas partículas que estão a uma distância específica se movem em relação uma à outra. Quanto menor o redemoinho, quanto mais próximas as duas partículas precisam estar para caracterizar o movimento do vórtice.

Para tornar as coisas mais desafiadoras, uma das características que definem a turbulência é a sua difusividade - um fluxo turbulento se espalhará ao longo do tempo, e também os rastreadores, especialmente em fluxos abertos, como uma corrente do oceano. Em muitos casos, os traçadores podem se espalhar rapidamente para medir como os redemoinhos estão se comportando.

"Cada partícula traçadora está se movendo independentemente uma da outra, então você precisa de muitas partículas traçadoras para encontrar aquelas que estão à distância certa uma da outra, "explicou o professor Marco Rosti, que lidera a Unidade de Fluidos e Fluxos do Complexo OIST.

"E muitas partículas traçadoras podem interromper o fluxo, " ele adicionou.

Para contornar esse problema, a equipe de pesquisa desenvolveu uma solução inovadora e fácil para o problema:usar fibras em vez de partículas traçadoras.

Os pesquisadores criaram uma simulação de computador em que fibras de diferentes comprimentos foram adicionadas a um fluxo turbulento. Essas fibras eram rígidas, que mantinha as pontas de cada fibra a uma distância fixa. Ao rastrear como cada fibra se moveu e girou dentro do fluido ao longo do tempo, os pesquisadores foram capazes de construir uma imagem que abrangia a escala total e a estrutura do fluxo turbulento.

"Usando fibras rígidas, podemos medir a diferença na velocidade e na direção do fluxo em dois pontos separados por uma distância fixa, e podemos ver como essas diferenças mudam dependendo da escala do redemoinho. As fibras mais curtas também nos permitiram medir com precisão a taxa na qual a energia cinética do fluido é transferida da escala maior para a menor, onde é então dissipado pelo calor. Este valor, chamada de taxa de dissipação de energia, é uma quantidade crucial na caracterização de fluxos turbulentos, "disse o Prof. Rosti.

Os pesquisadores também realizaram o mesmo experimento em laboratório. Eles fabricaram duas fibras diferentes, um feito de náilon e o outro de um polímero denominado polidimetilsiloxano. A equipe testou essas duas fibras adicionando-as a um tanque de água que continha água turbulenta e descobriu que as fibras deram resultados semelhantes à simulação.

Contudo, o uso de fibras rígidas vem com uma advertência importante, os cientistas enfatizaram, já que o movimento geral das extremidades da fibra é restrito.

“Devido à rigidez da fibra, as extremidades da fibra não podem se mover em direção uma à outra, mesmo que essa seja a direção do fluxo. Isso significa que uma fibra não pode representar totalmente o movimento do fluxo da mesma forma que as partículas traçadoras podem, "explicou o Dr. Olivieri." Portanto, antes mesmo de começarmos as simulações ou experimentos de laboratório, primeiro precisamos desenvolver uma teoria adequada que levasse em consideração essas limitações de movimento. Esta foi talvez a parte mais desafiadora do projeto. "

Os pesquisadores também mediram o mesmo fluxo turbulento em laboratório da maneira convencional, adicionando uma alta concentração de partículas traçadoras ao tanque de água. Os resultados obtidos a partir dos dois métodos diferentes foram semelhantes, verificar se o método da fibra e a teoria recém-desenvolvida forneceram informações precisas.

Seguindo em frente, os pesquisadores esperam expandir seu método para incorporar fibras flexíveis que têm menos restrições sobre como se movem. Eles também planejam desenvolver uma teoria que pode ajudar a medir a turbulência em fluidos não newtonianos mais complexos que se comportam de maneira diferente da água ou do ar.

"Esta nova técnica tem um grande potencial empolgante, especialmente para cientistas que estudam turbulência em geral, fluxos abertos como correntes oceânicas, "disse o Prof. Rosti." E ser capaz de medir facilmente quantidades que antes eram difíceis de obter nos leva um passo mais perto de compreender totalmente a turbulência. "