Ταραχώδεις καιροί για υγρά

Από σελίδα του PhysicsWeb 21-Φεβρουαρίου-2001

Φυσικοί στις ΗΠΑ έχουν δανειστεί την τεχνολογία που χρησιμοποιείται κανονικά στην φυσική υψηλών  ενεργειών για να λάβουν μια καλύτερη εικόνα της τυρβώδους ροής - ένα φαινόμενο που ακόμα δεν είναι καο τόσο κατανοητό. Ο Eberhard Bodenschatz και οι συνάδελφοι του στο Πανεπιστήμιο του Cornell διαπίστωσαν ότι άτομα σε στροβιλιζόμενα ρευστά υποβάλλονται σε επιταχύνσεις με ένα εκπληκτικό εύρος τιμών, εντός εξαιρετικά σύντομων αποστάσεων και χρόνων. (Περιοδικό Nature 409 1017)

εκκεντρικές τροχιές

Ο Bodenschatz και οι συνάδελφοι του είχαν μελετήσει την τυρβώδη ροή για αρκετά έτη, χρησιμοποιώντας συμβατικές μεθόδους βασισμένες στην ανίχνευση των "ανιχνευτών σωματιδίων" στο ρευστό.
Αλλά ήταν αδύνατο να παρακολουθηθεί ακριβώς η κίνηση των σωματιδίων στις ιδιαίτερα τυρβώδεις   συνθήκες επειδή η μέθοδος αποκάλυπτε αλλαγές στην επιτάχυνση μόνο κατά τη διάρκεια σχετικά μεγάλων περιόδων. "Ήμαστε έτοιμοι να τα εγκαταλείψουμε", είπε ο Bodenschatz στο PhysicsWeb, "όταν μίλησα με τον Jim Alexander ερευνητή στον συγκρουστή Ηλεκτρονίων-Ποζιτρονίων στο Cornel". Ο συγκρουστής στο Cornell χρησιμοποιεί σειρές φωτοευαίσθητων τμημάτων πυριτίου για να απεικονήσουν μέχρι και 70.000 αποσυνθέσεις σωματιδίων κάθε δευτερόλεπτο. Ο Bodenschatz και οι συνάδελφοι του προσάρμοσαν το σύστημα για το πείραμά τους και ήταν ευχαριστημένοι να βρουν, ότι θα μπορούσαν να απεικονίσουν την κίνηση σωματιδίων, με αυτήν την απέραντη βελτιωμένη χρονική ανάλυση.

Η ομάδα του Bodenschatz μελέτησε τις ιδιαίτερα τυρβώδεις ροές με τους αριθμούς Reynolds - ένα μέτρο της αναταραχής - μέχρι 63.000. Ο αριθμός Reynolds συσχετίζεται με την πυκνότητα και την ταχύτητα του ρευστού. Στη νέα οργάνωση, υπάρχουν τρεις σειρές ανιχνευτών απεικόνισης πυριτίου, ένα σε κάθε διάσταση για την κίνηση των σωματιδίων, και ένα ειδικό software, που κάνουν υπολογισμούς με τρισδιάστατες μετρήσεις της επιτάχυνσης. Η ομάδα εξεπλάγη από την τεράστια περιοχή (εύρος τιμών) των επιταχύνσεων που βρήκαν, από μηδέν έως 12.000 m/s^2. Στατιστικά, αυτό είναι μια αύξηση από μηδέν έως 30 φορές μεγαλύτερη από την ταχύτητα και την τετραγωνική ρίζα του μέσου τετραγώνου της ταχύτητας - όλα μέσα στα όρια του ενός χιλιοστού του δευτερολέπτου και εκατοντάδων micrometres.

Οι μελέτες της τυρβώδους ροής στηρίζουν την κατανόησή μας, του σχηματισμού των σύννεφων, τη μεταφορά της ατμόσφαιρας και ρύπανσης καθώς επίσης και τις πολυάριθμες βιομηχανικές διαδικασίες που περιλαμβάνουν χημική μίξη και καύση. "Στην ακαδημαϊκή πλευρά, εντούτοις, δεν έχουμε ακόμα καμία κατανόηση των καθολικών ιδιοτήτων της αναταραχής", λέει ο Bodenschatz," αλλά μια τέτοια ακριβής παρακολούθηση σωματιδίων ανοίγει ένα νέα δρόμο".

Ο Bodenschatz προσθέτει ότι αυτοί οι εξαιρετικά χαοτικοί όροι μπορούν ήδη να γίνουν κατανοητοί καλά - από τα κουνούπια, που είναι γνωστά πως προσκολλώνται επικίνδυνα στις λεπίδες της χλόης, όταν υπερβαίνει ο αέρας μια ορισμένη ταχύτητα, για να αποφύγουν πιθανώς το "σκούπισμα" επάνω στην ταραχώδη ατμόσφαιρα.