Durante décadas, los físicos, ingenieros y matemáticos no pudieron explicar un fenómeno notable en la mecánica de fluidos: la tendencia natural de la turbulencia en los fluidos a pasar del caos desordenado a patrones perfectamente paralelos de bandas turbulentas oblicuas. Esta transición de un estado de turbulencia caótica amuchos científicos observaron un patrón altamente estructurado, pero nunca lo entendieron.
En el Laboratorio de Complejidad Emergente en Sistemas Físicos de EPFL, Tobias Schneider y su equipo han identificado el mecanismo que explica este fenómeno. Sus hallazgos han sido publicados en Comunicaciones de la naturaleza .
Del caos al orden
Las ecuaciones utilizadas para describir la gran variedad de fenómenos que ocurren en los flujos de fluidos son bien conocidas. Estas ecuaciones capturan las leyes fundamentales de la física que rigen la dinámica de fluidos, una asignatura que se imparte a todos los estudiantes de física e ingeniería desde el nivel de pregrado en adelante.
Pero cuando la turbulencia entra en juego, las soluciones a las ecuaciones se vuelven no lineales, complejas y caóticas. Esto hace imposible, por ejemplo, predecir el clima en un horizonte de tiempo extendido. Sin embargo, la turbulencia tiene una sorprendente tendencia a moverse del caosa un patrón altamente estructurado de bandas turbulentas y laminares. Este es un fenómeno notable, pero el mecanismo subyacente permaneció oculto en las ecuaciones hasta ahora.
Esto es lo que sucede: cuando se coloca un fluido entre dos placas paralelas, cada una moviéndose en una dirección opuesta, se crea turbulencia. Al principio, la turbulencia es caótica, luego se autoorganiza para formar bandas oblicuas regulares, separadas por zonas decalma o flujos laminares. Ningún mecanismo obvio selecciona la orientación oblicua de las bandas o determina la longitud de onda del patrón periódico.
Oculto en ecuaciones simples
Schneider y su equipo resolvieron el misterio. "Como predijo el físico Richard Feynman, la solución no se encontraba en nuevas ecuaciones, sino dentro de la ecuación que ya estaba disponible para nosotros", explica Schneider. "Hasta ahora, los investigadoresno tenía herramientas matemáticas lo suficientemente potentes como para verificar esto "
Los investigadores combinaron una de esas herramientas, conocida como teoría de sistemas dinámicos, con las teorías existentes sobre la formación de patrones en fluidos y simulaciones numéricas avanzadas. Calcularon soluciones de equilibrio específicas para cada paso del proceso, permitiéndoles explicar la transición de lo caótico ael estado estructurado
"Ahora podemos describir el mecanismo de inestabilidad inicial que crea el patrón oblicuo", explica Florian Reetz, autor principal del estudio. "Por lo tanto, hemos resuelto uno de los problemas más fundamentales en nuestro campo. Los métodos que desarrollamos ayudarán a aclarar eldinámica caótica de patrones turbulentos-laminares en muchos problemas de flujo. Puede que algún día nos permitan controlar mejor los flujos ".
Un fenómeno importante
En mecánica de fluidos, la formación del patrón de bandas es importante porque muestra cómo los flujos turbulentos y laminar compiten constantemente entre sí para determinar el estado final del fluido, es decir, turbulento o laminar. Esta competencia surge cada vez que se forman turbulencias, comocuando el aire fluye sobre un automóvil. La turbulencia comienza en un área pequeña en el techo del automóvil, pero luego se extiende, porque la turbulencia es más fuerte que el flujo laminar en este caso particular. El estado final es, por lo tanto, turbulento.
Cuando se forma el patrón de rayas, significa que los flujos laminar y turbulento tienen la misma fuerza. Sin embargo, esto es muy difícil de observar en la naturaleza, fuera de las condiciones controladas de un laboratorio. Este hecho apunta a la importancia de la EPFLEl éxito de los investigadores al explicar una propiedad fundamental de la turbulencia. Sus hallazgos no solo explican un fenómeno que se puede observar en un laboratorio, sino que también pueden ayudar a comprender y controlar mejor los fenómenos relacionados con el flujo que ocurren en la naturaleza.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela Politécnica Federal de Lausana . Original escrito por Laure-Anne Pessina. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :