Uz odgovarajuću fiziku, moguće je da raznesete kutiju kola koja su čista širom Sunčevog sistema sa savršenom preciznošću kako biste došli do brkova udaljenih svetova.
Ali umešajte malo mleka u svoj čaj i najbolje što fizičari mogu da urade je da rizikuju da nagađaju vrste obrazaca koje ćete videti kako se kovitlaju u napitku.
Tečnosti su zaista haotični elementi što se nauke tiče, ali novi način izračunavanja njihovog kretanja uskoro bi mogao da učini njihov tok mnogo predvidljivijim.
Ne samo da bi naučnici mogli da iskoriste ovo da poboljšaju naše razumevanje hidrodinamike, već bi to moglo učiniti sve, od vremenske prognoze do dizajna vozila, mnogo preciznijim.
Fizičari sa Tehnološkog instituta Džordžije su pokazali da je moguće identifikovati trenutke kada turbulencija odražava merljive obrasce, efikasno pronalazeći trepere matematički određenog reda unutar pandemonijuma.
„Skoro jedan vek, turbulencija se statistički opisuje kao nasumičan proces“, kaže fizičar iz Georgia Tech Roman Grigorijev.
„Naši rezultati pružaju prvu eksperimentalnu ilustraciju da je, na prikladno kratkim vremenskim skalama, dinamika turbulencije deterministička – i povezuje je sa osnovnim determinističkim vladajućim jednačinama.“
Turbulenciju je teško predvideti uglavnom zbog načina na koji se mali vrtlozi, ili vrtlozi, formiraju u tečnosti. Kada materijal teče pravolinijski u glatkoj struji, lako je predvideti njegovu brzinu i putanju. Ako bilo koja putanja u struji postane spora, možda zbog povlačenja duž manje pokretne površine, tečnost će se ponovo uvijati.
Sa svakom novom strujom uvijanja, formira se nova površina koja može da proizvede nove vrtloge.
Samo da bude još komplikovanije, svaki vrtlog se ponaša prema hiru brojnih faktora – od pritiska do viskoznosti – brzo se zbrajajući u oluju u šoljici za čaj koju nijedan računar ne može da prati.
Izbliza, sve izgleda tako slučajno. Napravite korak unazad i statistika jasno pokazuje da je ukupan proces i dalje čvrsto ugrađen u ista stara pravila koja regulišu svaki drugi pokretni objekat u Univerzumu.
„Turbulencija se može zamisliti kao automobil koji prati niz puteva“, kaže Grigorijev.
„Možda je još bolja analogija voz, koji ne samo da ide prugom po propisanom redu vožnje, već ima i isti oblik kao i pruga kojom ide.
Baš kao i kod naše analogne železnice, turbulenciju je moguće opisati bilo kao numeričku simulaciju ili putem fizičkih modela. I baš kao što je red vožnje vozova koristan da vas navede na posao na vreme, pridržavanje matematičkog pristupa turbulencijama je jedini način da idete ako želite pouzdana predviđanja.
Nažalost, svi ovi brojevi se mogu brzo nagomilati, čineći proračune skupim.
Da bi videli da li postoji način da se pojednostave predviđanja, tim je postavio rezervoar sa providnim zidovima i tečnošću koja sadrži sitne fluorescentne čestice. Usmeravanje tečnosti između para nezavisno rotirajućih cilindara i praćenje užarenog sadržaja bilo je kao posmatranje vozova kako se kotrljaju kroz stanicu u realnom vremenu.
Međutim, istraživači su zapravo morali prvo da osmisle rasporede i vide koji od njih liče na ono što su videli.
To je uključivalo računarska rešenja za skup jednačina osmišljenih pre skoro 200 godina. Usklađivanjem eksperimenta sa matematičkim rezultatima, tim je mogao da identifikuje kada su se pojavili određeni obrasci turbulencije koji se nazivaju koherentne strukture.
Iako se redovno pojavljuju u pokretnim tečnostima, vreme koherentnih struktura je nepredvidivo. U ovoj konkretnoj postavci, koherentne strukture su se pridržavale kvaziperiodijskog obrasca koji se sastoji od dve frekvencije – jedne nagnute oko ose simetrije toka, druge zasnovane na drugom skupu pomeranja okolne struje.
Iako to nije baš jednostavan skup jednačina koji može da opiše turbulenciju u svim njenim oblicima, on pokazuje ulogu koju koherentne strukture mogu da imaju u tome da budu predvidljivije.
Proširivanjem ovog rada, buduća istraživanja bi mogla učiniti njihove „rasporede“ turbulencije dinamičnijim, opisujući ih detaljnije nego što bi to mogli da pruže statistički proseci.
„To nam može dati mogućnost da dramatično poboljšamo tačnost vremenske prognoze i, što je najvažnije, omogući predviđanje ekstremnih događaja kao što su uragani i tornada“, kaže Grigorijev.
„Dinamički okvir je takođe od suštinskog značaja za našu sposobnost da konstruišemo tokove sa željenim svojstvima, na primer, smanjen otpor oko vozila kako bi se poboljšala efikasnost goriva, ili poboljšan masovni transport kako bi se uklonilo više ugljen-dioksida iz atmosfere u novoj industriji direktnog hvatanja vazduha.
