Pesquisa sugere como a turbulência pode ser usada para gerar padrões
Imagem à esquerda:A turbulência normal é uma mistura aleatória de redemoinhos. Imagem à direita:Padrões com um tamanho característico específico se formam quando cada uma das partículas gira como piões. Crédito:de Wit e Fruchart et al. O movimento turbulento de um rio caudaloso ou a vazão de um motor a jato é caótico:isto é, não contém nenhum padrão óbvio.
Mas de acordo com um novo estudo, padrões regulares podem emergir do movimento turbulento dos fluidos. O que você precisa é de uma propriedade intrigante chamada “viscosidade ímpar”, que surge sob certas condições, como quando todas as partículas no fluido giram na mesma direção. Embora seja uma circunstância especializada, existem muitos contextos na natureza onde pode existir uma versão deste efeito, como na coroa solar e no vento solar.
"Este efeito surpreendente pode aumentar a crescente caixa de ferramentas para controlar e moldar a turbulência", disse Michel Fruchart, ex-pesquisador de pós-doutorado na UChicago, agora docente do Centro Nacional Francês de la Recherche Scientifique (CNRS) e co-primeiro autor do artigo. descrevendo as descobertas.
O estudo, uma colaboração entre a Universidade de Chicago, a Universidade de Tecnologia de Eindhoven, na Holanda, e o CNRS, foi publicado na Nature.
Uma natureza caótica
Apesar de quanto aprendemos sobre a física clássica nos últimos séculos, há um problema que ainda resiste a uma explicação completa:o fenômeno conhecido como turbulência. Embora a turbulência apareça todos os dias à nossa volta – desde as nuvens que se agitam na atmosfera até ao próprio sangue que flui através dos nossos vasos – ainda não é tão bem compreendida como outros fenómenos físicos comuns.
“A turbulência pode ser comum na natureza, mas ainda é apenas parcialmente compreendida”, disse Xander de Wit, co-autor da publicação e estudante de doutorado na Universidade de Tecnologia de Eindhoven.
Isto apesar do facto de que, se conseguíssemos compreender e controlar a turbulência, poderíamos conseguir muitos avanços; talvez pudéssemos projetar asas, motores e turbinas eólicas de aviões mais eficientes, por exemplo.
No entanto, existem coisas que os cientistas sabem sobre a turbulência. Se você agitar uma garrafa de água, verá redemoinhos se formando. Eles começam aproximadamente do tamanho do comprimento da garrafa; então, os redemoinhos se dividem em redemoinhos menores e, novamente, em redemoinhos menores, e assim por diante, até que os redemoinhos se dissipem. Isso é conhecido como cascata. Mas se fizermos a mesma coisa, mas confinarmos a água a uma camada fina, os redemoinhos irão fundir-se para formar um grande vórtice – a Grande Mancha Vermelha na superfície de Júpiter é um exemplo deste fenómeno, disse Fruchart.
O grupo de cientistas questionou-se se seria possível criar e manter redemoinhos de tamanho médio – nem um redemoinho grande, nem redemoinhos cada vez mais pequenos.
A resposta é sim - se o seu fluido exibir uma propriedade conhecida pelo termo "viscosidade ímpar".
Viscosidade geralmente significa uma medida de quão difícil é mexer - por exemplo, é mais difícil mexer um pote de mel do que um pote de água. Na viscosidade normal, o movimento dissipa a energia que você injetou ao mexer com a colher. Mas a “viscosidade estranha” muda a forma como os objetos se movem, mas não dissipa energia. Foi visto em certas condições raras em laboratório.
Os pesquisadores construíram uma simulação onde as partículas exibiam uma viscosidade estranha – neste caso, fazendo com que todas as partículas do fluido girassem como topos. Então, ao ajustar os parâmetros, como a rapidez com que as partículas giravam, os pesquisadores encontraram uma surpresa. A certa altura, eles começaram a ver padrões em vez de redemoinhos aleatórios.
"O truque, descobrimos, é criar uma cascata mista, onde grandes redemoinhos tendem a se dividir e pequenos redemoinhos tendem a se fundir", disse Fruchart. "Se você conseguir o equilíbrio certo, verá a formação de padrões."
"Quando vimos esses efeitos pela primeira vez, não entendíamos completamente o que estávamos vendo, mas era possível dizer que havia algo diferente mesmo a olho nu", disse o coautor do estudo e estudante de doutorado da UChicago, Tali Khain. "Tivemos que desenvolver uma teoria para explicar isso, e isso foi realmente emocionante."
Embora nem todas as partículas nos fluidos girem como piões, existem exemplos na natureza. Por exemplo, elétrons ou gases poliatômicos num campo magnético se comportam dessa maneira.
"Além do sol e do vento solar, existem diversos contextos onde pode existir uma versão deste efeito, incluindo fluxos atmosféricos, plasmas e matéria ativa", disse o professor Vincenzo Vitelli da UChicago, um dos autores seniores do artigo.
À medida que os cientistas trabalham para desenvolver uma compreensão mais completa das suas descobertas, esperam que isso leve a uma melhor compreensão da interação entre redemoinhos e ondas em fluxos turbulentos.
"Estamos apenas no começo", disse Vitelli, "mas estou fascinado pela ideia de que você pode pegar um estado turbulento que é a epítome do caos e usá-lo para criar padrões - isso é uma mudança profunda feita por apenas um torcer na menor escala."
