Fysiker vände riktningen som energi flödar genom turbulens och böjde en 80 år gammal regel

I ett tunt skikt virvlande vatten fick fysiker energin att löpa åt fel håll. I stället för att kaskada mot allt mindre virvlar, eller mot allt större, gjorde flödet det forskarna valde, beroende på hur de ställde upp krafterna som rörde om i det. Resultatet utmanar ett antagande som format strömningsfysiken i mer än åttio år.

I mer än åttio år har den gängse bilden av turbulens varit en enkelriktad kaskad. I de tredimensionella flödena i en flod eller i öppet hav antogs energin stadigt vandra från stora virvlar ned till små, där den till sist skingras som värme. I tunna, nästan tvådimensionella skikt troddes kaskaden vändas, så att små virvlar matade de större. Hur som helst tycktes riktningen fastlagd av geometrin hos rummet där vätskan levde.

Det nya arbetet lösgör den riktningen från flödets dimensioner. Det som bestämmer riktningen, fann forskarna, är inriktningen mellan två storheter i varje punkt i vätskan: spänningen som klämmer den och deformationen den genomgår till svar. Ställ in vinkeln mellan kraft och förskjutning, så kan energin tryckas uppför eller nedför skalstegen. Behållarens form upphör att vara ett öde.

För att visa det drev teamet ett grunt skikt elektriskt ledande vätska med magnetiska krafter, strödde i spårpartiklar och filmade hur de rörde sig. Genom att forma om mönstret för pådrivningen framställde de flöden med framåtriktad energiöverföring och flöden med omvänd överföring i samma apparat. Datorsimuleringar av samma uppställning återgav omslaget, den sorts överensstämmelse som gör en överraskande bild till en mätning.

Att styra kaskaden har praktisk räckvidd. Riktningen energin flödar i en vätska styr hur saker sprider sig genom den, så att rikta den skulle kunna ändra hur en kust skingrar ett stråk av avloppsvatten, hur ett mikrofluidchip blandar små volymer för ett medicinskt prov, eller hur energi rör sig genom de skiktade flöden som klimatmodeller försöker fånga.

Demonstrationen lever i ett noggrant kontrollerat, i grunden tvådimensionellt system, inte i den röriga tredimensionella turbulensen hos en storm eller en djup ström. Om samma grepp om riktningen överlever i fullt tredimensionella, energirika flöden är en öppen fråga, och språnget från en laboratoriebricka till havet är stort. Principen är nu fastlagd; dess räckvidd inte.

Forskningen utfördes av ett team lett från University of Pittsburgh, i samarbete med universitetet i Turin, och publicerades i tidskriften Science Advances. Gruppens nästa steg är att pröva hur långt styrningen via tensorinriktning sträcker sig när flöden blir tjockare och energirikare, den regim där det mesta av verklig turbulens faktiskt lever.

Taggar: physics