Per decenni, fisici, ingegneri e matematici non sono riusciti a spiegare un fenomeno notevole nella meccanica dei fluidi:la naturale tendenza della turbolenza nei fluidi a spostarsi dal caos disordinato a modelli perfettamente paralleli di bande turbolente oblique. Questa transizione da uno stato di turbolenza caotica a un modello altamente strutturato è stata osservata da molti scienziati, ma mai capito.

Presso l'Emerging Complexity in Physical Systems Laboratory dell'EPFL, Tobias Schneider e il suo team hanno identificato il meccanismo che spiega questo fenomeno. I loro risultati sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura .

Dal caos all'ordine

Le equazioni utilizzate per descrivere la grande varietà di fenomeni che si verificano nei flussi di fluidi sono ben note. Queste equazioni catturano le leggi fondamentali della fisica che governano la fluidodinamica, una materia insegnata a tutti gli studenti di fisica e ingegneria dal livello universitario in poi.

Ma quando la turbolenza entra in gioco, le soluzioni delle equazioni diventano non lineari, complesso e caotico. Questo rende impossibile, Per esempio, prevedere il tempo su un orizzonte temporale esteso. Eppure la turbolenza ha una sorprendente tendenza a passare dal caos a uno schema altamente strutturato di bande turbolente e laminari. Questo è un fenomeno notevole, eppure il meccanismo sottostante è rimasto nascosto nelle equazioni fino ad ora.

Ecco cosa succede:quando un fluido viene posto tra due piastre parallele, ciascuno che si muove in una direzione opposta, si crea turbolenza. All'inizio, la turbolenza è caotica, poi si auto-organizza per formare bande oblique regolari, separate da zone di calma (o flussi laminari). Nessun meccanismo ovvio seleziona l'orientamento obliquo delle bande o determina la lunghezza d'onda del modello periodico.

Nascosto in semplici equazioni

Schneider e il suo team hanno risolto il mistero. "Come predisse il fisico Richard Feynman, la soluzione non era da trovare in nuove equazioni, ma piuttosto all'interno dell'equazione che era già a nostra disposizione, " spiega Schneider. "Finora, i ricercatori non avevano strumenti matematici abbastanza potenti per verificarlo".

I ricercatori hanno combinato uno di questi strumenti, nota come teoria dei sistemi dinamici, con le teorie esistenti sulla formazione di pattern nei fluidi e simulazioni numeriche avanzate. Hanno calcolato soluzioni di equilibrio specifiche per ogni fase del processo, consentendo loro di spiegare la transizione dallo stato caotico a quello strutturato.

"Possiamo ora descrivere il meccanismo di instabilità iniziale che crea il modello obliquo, " spiega Florian Reetz, l'autore principale dello studio. "Abbiamo così risolto uno dei problemi più fondamentali nel nostro campo. I metodi che abbiamo sviluppato aiuteranno a chiarire le dinamiche caotiche dei modelli turbolenti-laminari in molti problemi di flusso. Un giorno potrebbero permetterci di controllare meglio i flussi".

Un fenomeno importante

Nella meccanica dei fluidi, la formazione del motivo a strisce è importante perché mostra come i flussi turbolenti e laminari siano in costante competizione tra loro per determinare lo stato finale del fluido, cioè., turbolento o laminare. Questa competizione sorge ogni volta che si forma una turbolenza, come quando l'aria scorre su un'auto. La turbolenza inizia in una piccola area sul tetto dell'auto, ma poi si diffonde, perché la turbolenza è più forte del flusso laminare in questo caso particolare. Lo stato finale è quindi turbolento.

Quando si forma il motivo a strisce, significa che i flussi laminari e turbolenti sono uguali in forza. Però, questo è molto difficile da osservare in natura, al di fuori delle condizioni controllate di un laboratorio. Questo fatto indica l'importanza del successo dei ricercatori dell'EPFL nello spiegare una proprietà fondamentale della turbolenza. Non solo le loro scoperte spiegano un fenomeno che può essere osservato in un laboratorio, ma potrebbero aiutare a comprendere e controllare meglio i fenomeni legati al flusso che si verificano anche in natura.