L'acqua che esce da un normale rubinetto racconta una complessa storia del suo viaggio attraverso un tubo. Ad alte velocità, il ruscello zampillante del rubinetto è turbolento:caotico, disordinato, come lo schianto delle onde dell'oceano.

Rispetto ai flussi laminari ordinati, come il flusso costante del rubinetto a bassa velocità, gli scienziati sanno poco della turbolenza. Ancora meno si sa di come i flussi laminari diventino turbolenti. Un mix di flussi ordinati e disordinati, flussi di transizione si verificano quando i fluidi si muovono a velocità intermedie.

Ora, Dottor Rory Cerbus, Dott. Chien-chia Liu, Dott. Gustavo Gioia, e il dottor Pinaki Chakraborty, ricercatori della Fluid Mechanics Unit e della Continuum Physics Unit dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), hanno attinto da una teoria concettuale della turbolenza vecchia di decenni per sviluppare un nuovo approccio per lo studio dei flussi di transizione. Le scoperte degli scienziati, pubblicato in Progressi scientifici , può aiutare a fornire un più completo, comprensione concettuale dei flussi transitori e turbolenti, con applicazioni pratiche in ingegneria.

"La turbolenza è spesso propagandata come l'ultimo problema irrisolto nella fisica classica:ha una certa mistica al riguardo, " disse Cerbus. "Eppure, in condizioni idealizzate, abbiamo una teoria concettuale che aiuta a spiegare i flussi turbolenti. Nella nostra ricerca, ci stiamo sforzando di capire se questa teoria concettuale potrebbe far luce anche sui flussi di transizione".

Trovare l'ordine nel disordine

Gli scienziati sono stati a lungo affascinati dai flussi turbolenti. Nel XV secolo, Leonardo da Vinci ha illustrato flussi turbolenti come raccolte di vortici vorticosi, o correnti circolari, di varia grandezza.

Secoli dopo, nel 1941, il matematico Andrey Kolmogorov ha sviluppato una teoria concettuale che ha rivelato l'ordine alla base dell'energia di vortici apparentemente disordinati.

Come illustrato nello schizzo di DaVinci, un ruscello che si tuffa in una pozza d'acqua forma inizialmente un grande, vortice vorticoso, che diventa rapidamente instabile e si scompone in vortici progressivamente più piccoli. L'energia viene trasferita dai vortici grandi a quelli sempre più piccoli, fino a quando i più piccoli vortici dissipano l'energia attraverso la viscosità dell'acqua.

Catturando queste immagini nel linguaggio della matematica, La teoria di Kolmogorov predice lo spettro energetico, una funzione che descrive come l'energia cinetica, l'energia del movimento, viene ripartita tra vortici di diverse dimensioni.

È importante sottolineare che la teoria dice che l'energia dei piccoli vortici è universale, il che significa che sebbene i flussi turbolenti possano sembrare diversi, i più piccoli vortici in tutti i flussi turbolenti hanno lo stesso spettro di energia.

"Che concetti così semplici possano chiarire elegantemente un problema apparentemente intrattabile, lo trovo davvero straordinario, " disse Chakraborty.

Ma c'è un problema. Si ritiene che la teoria di Kolmogorov si applichi solo a un piccolo insieme di flussi idealizzati, e non i flussi della vita quotidiana, compresi i flussi di transizione.

Per studiare questi flussi di transizione, Cerbus e i suoi collaboratori hanno condotto esperimenti sull'acqua che scorre attraverso un canale lungo 20 metri, Tubo cilindrico in vetro da 2,5 centimetri di diametro. I ricercatori hanno aggiunto piccoli, particelle cave con approssimativamente la stessa densità dell'acqua, permettendo loro di visualizzare il flusso. Hanno usato una tecnica chiamata velocimetria laser Doppler per misurare le velocità dei vortici nei flussi di tubo di transizione. Con queste velocità misurate, hanno calcolato lo spettro energetico.

Sorprendentemente, i ricercatori hanno scoperto che, nonostante sembri distinto dai flussi turbolenti, lo spettro di energia corrispondente ai piccoli vortici nei flussi di transizione conforme allo spettro di energia universale dalla teoria di Kolmogorov.

Oltre a fornire una nuova comprensione concettuale dei flussi di transizione, questa scoperta ha applicazioni in ingegneria. Negli ultimi due decenni, La ricerca di Gioia e Chakraborty ha dimostrato che gli spettri energetici possono aiutare a prevedere l'attrito tra il flusso e il tubo, una delle principali preoccupazioni per gli ingegneri. Maggiore è l'attrito in un tubo, più è difficile pompare e trasportare fluidi come l'olio.

"Il nostro studio combina idee matematiche esoteriche con fattori che interessano agli ingegneri, " disse Chakraborty. "E, abbiamo scoperto che le teorie di Kolmogorov hanno un'applicabilità più ampia di quanto chiunque pensasse. Questa è una nuova entusiasmante visione della turbolenza e della transizione verso la turbolenza".