Los resultados de un nuevo estudio finalmente podrían darnos ‘calendarios’ para la turbulencia : Heaven32

Con la física adecuada, es posible hacer estallar una caja de circuitos en todo el Sistema Solar con una precisión milimétrica para acercarse a mundos distantes.

Pero agregue un chorrito de leche a su té y lo mejor que pueden hacer los físicos es arriesgarse a adivinar los tipos de patrones que verá arremolinándose en la bebida.

Los fluidos son elementos verdaderamente caóticos en lo que respecta a la ciencia, pero una nueva forma de calcular su movimiento pronto podría hacer que su flujo sea mucho más predecible.

Los científicos no solo podrían usar esto para mejorar nuestra comprensión de la hidrodinámica, sino que podría hacer que todo, desde los pronósticos del tiempo hasta el diseño de vehículos, sea mucho más preciso.

Físicos del Instituto de Tecnología de Georgia han demostrado que es posible identificar momentos en los que la turbulencia refleja patrones medibles, encontrando efectivamente parpadeos de orden ordenado matemáticamente dentro del caos.

“Durante casi un siglo, la turbulencia se ha descrito estadísticamente como un proceso aleatorio”. dice El físico de Georgia Tech, Roman Grigoriev.

“Nuestros resultados proporcionan la primera ilustración experimental de que, en escalas de tiempo adecuadamente cortas, la dinámica de la turbulencia es determinista, y la conecta con las ecuaciones de gobierno deterministas subyacentes”.

La turbulencia es difícil de predecir en gran parte debido a la forma en que se forman pequeños remolinos o remolinos en un fluido. Cuando el material fluye en línea recta en una corriente suave, es fácil predecir su velocidad y trayectoria. Si algún camino en la corriente se vuelve lent o, tal vez por ser arrastrado a lo largo de una superficie menos móvil, el fluido retrocederá sobre sí mismo.

Con cada nueva corriente ondulante, se forma una nueva superficie que puede producir nuevos remolinos.

Para hacerlo aún más complicado, cada vórtice se comporta según el capricho de una serie de factores, desde la presión hasta la viscosidad, que se suman rápidamente a una tempestad en una taza de té que ninguna computadora podría rastrear.

De cerca, todo parece tan aleatorio. Da un paso atrás y las estadísticas dejan en claro que el proceso general permanece firmemente arraigado en las mismas viejas reglas que gobiernan todos los demás objetos en movimiento en el Universo.

“La turbulencia se puede considerar como un automóvil que sigue una secuencia de caminos”. dice Grigoriev.

“Quizás una analogía aún mejor es un tren, que no solo sigue un ferrocarril en un horario prescrito, sino que también tiene la misma forma que el ferrocarril que sigue”.

Al igual que con nuestro ferrocarril analógico, es posible describir la turbulencia como una simulación numérica o mediante modelos físicos. Y así como un horario de trenes es útil para llegar al trabajo a tiempo, apegarse a un enfoque matemático para la turbulencia es el único camino a seguir si desea predicciones confiables.

Desafortunadamente, todos esos números pueden acumularse rápidamente, lo que hace que los cálculos sean costosos.

Para ver si había una forma de simplificar las predicciones, el equipo instaló un tanque con paredes transparentes y un fluido que contenía diminutas partículas fluorescentes. Canalizar el fluido entre un par de cilindros que giran independientemente y hacer un seguimiento de los contenidos brillantes fue como ver los trenes pasar por la estación en tiempo real.

Sin embargo, los investigadores primero necesitaban idear horarios y ver cuáles se parecían a lo que estaban viendo.

Hacerlo implicó soluciones informáticas para un conjunto de ecuaciones inventado hace casi 200 años. Al alinear el experimento con los resultados matemáticos, el equipo pudo identificar cuándo aparecían patrones particulares de turbulencia llamados estructuras coherentes.

Si bien surgen regularmente en fluidos en movimiento, el momento de las estructuras coherentes es impredecible. En esta configuración particular, las estructuras coherentes se adhirieron a un patrón cuasiperiódico que comprende dos frecuencias: una inclinada alrededor del eje de simetría del flujo, la otra basada en otro conjunto de cambios en la corriente circundante.

Aunque no es exactamente un conjunto simple de ecuaciones que pueden describir la turbulencia en todas sus formas, demuestra el papel que podrían desempeñar las estructuras coherentes para hacerlas más predecibles.

Al ampliar este trabajo, la investigación futura podría hacer que sus “horarios” de turbulencia sean más dinámicos, describiéndolos con mayor detalle que los promedios estadísticos que podrían proporcionar.

“Puede brindarnos la capacidad de mejorar drásticamente la precisión de los pronósticos meteorológicos y, sobre todo, permitir la predicción de eventos extremos como huracanes y tornados”. dice Grigoriev.

“El marco dinámico también es esencial para nuestra capacidad de diseñar flujos con las propiedades deseadas, por ejemplo, reducir el arrastre alrededor de los vehículos para mejorar la eficiencia del combustible o mejorar el transporte masivo para ayudar a eliminar más dióxido de carbono de la atmósfera en la industria emergente de captura directa de aire”.

Incluso podría decirle finalmente qué esperar ver en su próxima taza de té.

Esta investigación fue publicada en PNAS.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *