Oricine a zburat într-un avion știe despre turbulențe sau când fluxul unui fluid - în acest caz, fluxul de aer peste aripi - devine haotic și instabil. De mai bine de un secol, domeniul mecanicii fluidelor a susținut că turbulența se întinde cu inerția și astfel lucrurile masive, cum ar fi avioanele, au un timp mai ușor de cauzat.

noile

Acum, cercetările conduse de inginerii de la Universitatea din Pennsylvania au arătat că această tranziție la turbulență poate avea loc deloc fără inerție.

Studiul a fost realizat de profesorul asociat Paulo E. Arratia și studentul licențiat Lichao Pan, ambele din cadrul Departamentului de Inginerie Mecanică și Mecanică Aplicată al Școlii de Inginerie și Științe Aplicate a lui Penn. Au colaborat cu profesorul Christian Wagner de la Universitatea Saarland din Germania și cu profesorul Alexander Morozov de la Universitatea Scoției din Edinburgh.

A fost publicat în revista Physical Review Letters.

Unul dintre cele mai fundamentale concepte în dinamica fluidelor este numărul Reynolds. Numit după Osborne Reynolds, fizicianul de la sfârșitul celui de-al 19-lea, care a demonstrat cum fluidul care curge printr-o conductă a trecut la o stare turbulentă. Numerele lui Reynolds descriu raportul dintre forțele vâscoase și forțele inerțiale pentru un fluid dat și condițiile în care curg. Numerele reduse ale lui Reynolds sunt asociate cu fluxul „laminar”, care este neted și ordonat, în timp ce numerele mari ale Reynolds sunt asociate cu fluxul turbulent, care este neliniar și haotic.

În fluxul laminar sau liniar, există o relație directă între forța aplicată fluidului și cât de repede se mișcă. Când forța aplicată este îndepărtată, forțele vâscoase opresc mișcarea fluidului. Cu fluxuri turbulente sau neliniare, această relație nu mai este directă. Acest lucru se datorează faptului că forțele inerțiale mențin fluidul în mișcare chiar și după îndepărtarea forței aplicate. Amestecând scurt o ceașcă de cafea cu o lingură, cafeaua se va învârti timp de minute, dar același efect nu poate fi obținut cu o ceașcă de miere.

„Ceea ce a sugerat elegant Reynolds a fost că forța care face ca lucrurile să meargă neliniar sau neregulat este inerția, deoarece inerția este o forță neliniară în sine”, a spus Arratia. „Pe măsură ce apa curge mai repede, are mai multă inerție și astfel devine mai turbulentă, ceea ce puteți vedea în timp ce întoarceți robinetul de la robinetul din chiuvetă.”

Trecerea de la lină la turbulentă are implicații evidente pentru lucrurile masive, cum ar fi avioanele, dar în mod surprinzător, are și un impact asupra scărilor mici, unde, teoretic, masa nu ar trebui să joace un factor. Este relevant pentru fluxul de sânge din capilare sau pentru extragerea petrolului sau a gazelor naturale din roca poroasă, cum este cazul frackingului.

"În fracking, toate aceste lichide trec prin pori mici. Inițial, oamenii credeau că, din moment ce porii erau atât de mici, nu ar exista inerție și, prin urmare, nu vor exista turbulențe, dar este acolo", a spus Arratia. "Ei primesc toate aceste fluctuații și scăderi neobișnuite de presiune și multe lucruri ar eșua din cauza asta."

Pentru a explica cum ar putea apărea turbulența chiar și în absența inerției, echipa Arratia și-a propus să efectueze un experiment similar celui celebru al lui Reynolds, dar în loc să schimbe inerția fluidului, au schimbat fluidul în sine. În studiul lor, au pompat un fluid infuzat cu polimer printr-o țeavă la o rată constantă. Polimerii sunt o caracteristică comună a fluidelor non-newtoniene - cum ar fi sângele, ketchup-ul sau iaurtul - care au proprietăți de curgere care se schimbă în anumite condiții. Una dintre caracteristicile principale ale fluidelor non-newtoniene este aceea că proprietățile lor materiale, precum vâscozitatea, sunt neliniare - nu există o relație directă între cantitatea de forță exercitată asupra lor și viteza cu care curg.

Un alt factor în tranziția la turbulență este modul în care fluxul liniar și lin este inițial perturbat astfel încât să înceapă un flux haotic, neliniar. În experimentul lui Reynolds, rugozitatea pereților conductei a fost suficientă pentru a „lovi” fluxul într-o stare turbulentă odată ce a fost prezentă o cantitate suficientă de inerție. În experimentul Arratia, această rugozitate a fost controlată cu precizie printr-o serie de stâlpi cilindrici la începutul conductei.

"După„ lovirea ”țevii cu aceste stâlpi, urmărim fluidul curgând la o anumită distanță. Dacă această perturbare se degradează, debitul este laminar, dar dacă perturbarea este menținută sau crește, este turbulentă”, a spus Arratia. „Și am văzut-o crescând”.

Dincolo de aplicațiile medicale sau industriale, înțelegerea interacțiunii dintre fluidele non-newtoniene și turbulențe este o contribuție importantă la fundamentele mecanicii fluidelor.

"Am crezut întotdeauna că trebuie să existe o inerție pentru ca această tranziție să aibă loc, dar există și alte forțe neliniare acolo", a spus Arratia. "În acest caz, chiar dacă suntem la un număr redus de Reynolds, deoarece nu există inerție din masă, deoarece fluidul este neliniar în sine, obțineți o tranziție foarte similară cu cea pe care a văzut-o Osborne Reynolds în 1883."