Wetenschappers hebben een ingesloten turbulente bal in een watertank gecreëerd die kan helpen een reeks al lang bestaande vragen te beantwoorden. Turbulentie is overal om ons heen. Turbulentie is overal, van de werveling van koffie en melk in een latte, tot de aerodynamische krachten op vliegtuigvleugels en de zijkanten van auto's, en zelfs tot de bloedstroom in het hart nadat een klep sluit. We begrijpen ze echter nog steeds niet allemaal volledig.
Een struikelblok is de traditionele aanpak van natuurkundigen, die fenomenen vaak willen bestuderen los van externe factoren. Maar als het om turbulentie gaat, is de lepel, net als het roeren van een glas vloeistof, nog steeds een integraal onderdeel van het proces en beïnvloedt hij het gedrag van de vloeistof. Tot op heden zijn methoden om turbulentie als onafhankelijke variabele te isoleren ongrijpbaar gebleken.
Een team van wetenschappers van de Universiteit van Chicago heeft echter een methode ontwikkeld om ingesloten turbulentie in een watertank te creëren. Ze gebruikten ringvormige jets om de ringvormige stroom te spuiten totdat een geïsoleerde "bal" van turbulentie zich vormde en bleef bestaan.
"Dit was een verrassing voor ons", zegt natuurkundige Takumi Matsuzawa, eerste auteur van een studie die de ontdekking beschrijft, gepubliceerd in Nature Physics. Professor William Irvine, de corresponderende auteur van de studie, zei: "Het is alsof je rustig in een veld zit te picknicken en een storm op vijftien meter afstand ziet woeden."
Ze hopen dat deze doorbraak een nieuwe onderzoeksweg zal openen om turbulentie beter te begrijpen.
"Turbulentie - de chaotische stroom van materie in een heterogeen mengsel - is een oud probleem," zei Owen. "Het wordt vaak genoemd als een van de grote onopgeloste problemen in de natuurkunde."
De afgelopen decennia hebben wetenschappers vooruitgang geboekt bij het beschrijven van het gedrag van ‘geïdealiseerde’ turbulente omstandigheden. Met andere woorden, turbulentie kent geen verstorende variabelen zoals grenzen, noch veranderingen in intensiteit en tijd. Er valt echter nog veel meer te weten over turbulentie in de echte wereld.
"Turbulentie is overal om ons heen, maar het is ongrijpbaar in wat natuurkundigen als een bevredigende beschrijving beschouwen," zei Owen. "Als je bijvoorbeeld vraagt: kan ik voorspellen wat er zal gebeuren als ik deze turbulente regio doorboor? Het antwoord is nee. Zelfs niet met supercomputers."
Een groot probleem is de aanwezigheid van verstorende variabelen in experimenten. Je kunt turbulentie creëren door snel water door een pijp of roerpeddels in een tank te sproeien, maar turbulentie schuurt altijd tegen de wanden van de container en de roerder, wat de resultaten van het experiment beïnvloedt.
Matsuzawa, Owen en hun medewerkers hebben 'vortexring'-experimenten uitgevoerd in watertanks - zoals rookringen, maar dan in water. Wanneer ze deze proberen te combineren om turbulentie te creëren, stuitert de energie meestal terug en verdwijnt vervolgens.
Maar toen ze eenmaal een speciale configuratie ontdekten – een doos met acht hoeken, elk met een vortexringgenerator – gebeurde er iets vreemds. Terwijl ze herhaaldelijk de ringen afvuurden die elkaar in het midden ontmoetten, zagen ze zich een op zichzelf staande bal van turbulentie vormen, weg van de wanden van de doos.
Dit was op zichzelf al een doorbraak: "Niemand had dit eerder voor mogelijk gehouden. Turbulentie is heel goed in het mengen van vloeistoffen; als je melk door koffie mengt, roer je het maar een of twee keer voordat het helemaal gemengd is, maar we kunnen het wel op zijn plaats houden, wat heel verrassend is."
Een op zichzelf staande turbulentiebol zou wetenschappers in staat stellen de parameters ervan nauwkeuriger te volgen met behulp van lasers en meerdere snelle camera's. Dit omvat de energie en heliciteit (een maatstaf voor hoe verward of "geknoopt" de lus is), evenals de impuls en hoekimpuls (equivalent aan het momentum en het hoekmomentum van de vloeistof).
Bovendien kunnen ze ermee spelen door de parameters te veranderen. Ze kunnen veranderen of de ingevoerde lus een spiraal met de klok mee of tegen de klok in is. Ze kunnen de ingevoerde energie veranderen, of stoppen met het toevoegen van ringen en kijken hoe de turbulentie verdwijnt, of de heliciteit van de ringen veranderen en kijken hoe de turbulentie in de loop van de tijd evolueert.
"Hoe verdwijnt turbulentie? Hoe breidt het zich uit? Wat 'herinnert' het zich? Hoe reist energie over schaalniveaus? Zijn er verschillende soorten turbulentie? We kunnen allerlei soorten vragen stellen, en dit is een unieke omgeving om ze te stellen, "zei Owen. ‘Ik hoop echt dat dit ons helpt nieuwe wegen in te slaan op dit gebied.