La turbolenza è ovunque - fa tremare i nostri aerei e crea minuscoli vortici nelle nostre vasche da bagno - ma è uno dei fenomeni meno compresi nella fisica classica.

La turbolenza si verifica quando un flusso di fluido ordinato si rompe in piccoli vortici, che interagiscono tra loro e si rompono in vortici ancora più piccoli, che interagiscono tra loro e così via, diventando il caotico vortice di disordine che rende il rafting così divertente.

Ma i meccanismi di quella discesa nel caos hanno sconcertato gli scienziati per secoli.

Quando non capiscono qualcosa, i fisici hanno una soluzione a portata di mano:romperli insieme. Vuoi capire i mattoni fondamentali dell'universo? Schiacciare le particelle insieme. Vuoi svelare i meccanismi alla base della turbolenza? Smash vortici insieme.

I ricercatori dell'Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) potrebbero aver identificato un meccanismo fondamentale attraverso il quale si sviluppa la turbolenza rompendo frontalmente gli anelli di vortice l'uno contro l'altro, registrare i risultati con fotocamere ad altissima risoluzione, e ricostruire la dinamica di collisione utilizzando un programma di visualizzazione 3D. Insieme all'analisi delle simulazioni numeriche eseguite dai collaboratori dell'Università di Houston e dell'ENS de Lyon, i ricercatori hanno acquisito una visione senza precedenti di come i sistemi fluidici si trasformano dall'ordine al disordine.

La ricerca è descritta in Progressi scientifici .

"La nostra capacità di prevedere il tempo, capire perché un Boeing 747 vola anche con correnti turbolente nella sua scia, e determinare i flussi globali nell'oceano dipende da quanto bene modelliamo la turbolenza, " disse Shmuel Rubinstein, Professore Associato di Fisica Applicata presso SEAS e corrispondente autore dell'articolo. "Però, la nostra comprensione della turbolenza manca ancora di una descrizione meccanicistica che spieghi come l'energia ricade su scale sempre più piccole fino a quando non viene infine dissipata. Questa ricerca apre le porte proprio a questo tipo di comprensione".

"Cercare di dare un senso a ciò che sta accadendo in un sistema estremamente complesso come la turbolenza è sempre una sfida, " disse Rodolfo Ostilla-Mónico, Assistant Professor di Ingegneria Meccanica presso l'Università di Houston e corrispondente autore dell'articolo. "A ogni scala di lunghezza, i vortici si sforzano e si comprimono a vicenda per generare un'immagine caotica. Con questo lavoro, possiamo iniziare a isolare e osservare semplici interazioni di coppia, e come questi portino a ricche dinamiche quando ne sono presenti abbastanza".

I fisici hanno utilizzato i collisori di vortice per comprendere le turbolenze dagli anni '90, ma gli esperimenti precedenti non sono stati in grado di rallentare e ricostruire la meccanica della collisione, nel momento in cui precipita nel caos. Fare quello, i ricercatori hanno sincronizzato un potente foglio laser di scansione con una fotocamera ad alta velocità, in grado di scattare centinaia di migliaia di immagini al secondo, per scansionare rapidamente l'intera collisione in tempo reale.

Hanno usato cannoni a vortice in un acquario da 75 galloni per produrre i vortici. Ogni vortice era tinto di un colore diverso, così i ricercatori hanno potuto osservare come interagiscono quando si scontrano violentemente. Ci vuole meno di un secondo perché gli anelli scompaiano in uno sbuffo di tintura dopo la collisione, ma entro quel tempo, accade un sacco di fisica.

Primo, gli anelli si estendono verso l'esterno mentre si scontrano e i bordi formano onde antisimmetriche. Le creste di queste onde si sviluppano in filamenti simili a dita, che crescono perpendicolarmente tra i nuclei in collisione.

Questi filamenti controruotano con i loro vicini, creando una nuova serie di vortici in miniatura che interagiscono tra loro per millisecondi. Quei vortici formano anche filamenti, che a loro volta formano vortici. Il team di ricerca ha osservato tre generazioni di questo ciclo a cascata, ognuno come prima, solo più piccolo:una bambola russa del disordine.

"Questo comportamento simile dalla grande alla piccola scala emerge molto rapidamente e in modo ordinato prima che tutto si trasformi in turbolenza, " ha detto Ryan McKeown, uno studente laureato presso SEAS e primo autore del documento. "Questo effetto a cascata è davvero eccitante perché potrebbe indicare un meccanismo universale per il funzionamento di queste interazioni, indipendente dalla scala".

Oltre agli esperimenti, il team di ricerca ha anche sviluppato simulazioni numeriche per comprendere la dinamica della rottura e quantificare come si evolve lo spettro energetico della cascata. La turbolenza ha uno spettro energetico molto specifico e ben definito. Sebbene questo sistema sia considerevolmente più semplice della turbolenza che fa sbattere un aereo, i ricercatori hanno scoperto che lo spettro energetico nella fase avanzata della rottura dei vortici segue lo stesso ridimensionamento rivelatore della turbolenza completamente sviluppata.

"Questa è una grande indicazione che mentre questo è un sistema diverso, per un breve periodo, sta creando le stesse condizioni di turbolenza. È un punto di partenza, " ha detto McKeown.