Turbulencija dažniausiai siejama su chaosu, tačiau fizikoje šis chaosas ilgą laiką turėjo, regis, nepajudinamas taisykles. Viena svarbiausių teigė, kad energijos perdavimo kryptis priklauso nuo sistemos matmenų: trimatėse tėkmėse energija keliauja nuo didelių sūkurių prie vis mažesnių, kol galiausiai išsisklaido, o dvimatėse tėkmėse vyksta priešingai – energija „kyla“ į didesnes struktūras.
Ši intuicija, įtvirtinta klasikinėje teorijoje, plėtotoje nuo praėjusio amžiaus 5-ojo dešimtmečio, ilgai buvo laikoma kone skysčių dinamikos pagrindais. Vis dėlto nauji rezultatai rodo, kad šie pagrindai nėra tokie griežti, kaip manyta.
Tyrėjai sukūrė teorinį modelį ir jį patikrino eksperimentiškai bei skaitmeninėse simuliacijose. Jiems pavyko dvimatėje sistemoje išgauti vadinamąjį tiesioginį energijos srautą – situaciją, kai energija keliauja į mažesnes skales, nors klasikinis vaizdas leistų tikėtis priešingo proceso. Tai nėra menka pataisa detalėse – greičiau smūgis senam įsitikinimui, kad vien tik tėkmės matmeniškumas iš anksto nulemia energijos kaskados kryptį.
Turbulencija ir toliau paklūsta Navjė–Stokso lygtims, tačiau paaiškėjo, kad ją galima kur kas labiau valdyti keičiant sąveikų geometriją, nei buvo manoma dešimtmečius. Paprasčiau tariant, reikšmę turi ne vien tai, kiek energijos perduodama skysčiui, bet ir tai, kaip tarpusavyje „suderintos“ judesio deformacijos ir jį sukeliančios jėgos. Pakeitus šią tarpusavio geometriją, galima pakeisti ir pačios energijos tėkmės kryptį.
Kur teka energija?
Turbulencijoje svarbiausia ne pavienė banga ar vienas sūkurys, o tai, kaip energija perskirstoma tarp skirtingų judėjimo mastelių. Didelės struktūros gali irti į mažesnes, o smulkūs sūkuriai – jungtis į didesnius darinius. Šis energijos „judėjimas per skales“ iš esmės yra visos turbulencijos pasakojimo karkasas. Dėl to fizikai ilgą laiką laikėsi paprasto skirstymo: trys matmenys reiškia kaskadą žemyn, du matmenys – kaskadą aukštyn.
Naujasis darbas rodo, kad kryptis nėra vien „matmeniškumo nuosprendis“. Tyrėjai energijos srautą susiejo su tenzorių, aprašančių ryšį tarp poslinkio ir jėgos sistemoje, geometrija. Nors skamba techniškai, esmę galima nusakyti paprasčiau: svarbu, kokiu kampu ir kokia struktūra tarpusavyje dera judesio deformacija ir ją sukeliantys poveikiai. Keičiant šią tarpusavio sandarą, galima pakeisti net energijos srauto ženklą.
Ilgą laiką turbulencijos tyrimai priminė orų stebėjimą: galima matuoti ir statistiškai prognozuoti, tačiau sunku iš tiesų paveikti patį mechanizmą. Dabar atsiranda prielaida, kad tinkamai suprojektavus sistemą, galima ne tik stebėti, kur teka energija, bet ir daryti įtaką tam, kuria kryptimi ji tekės.
Laboratorija parodė, kad tai ne vien graži teorija
Kad viskas neliktų tik elegantiška matematika, komanda savo idėją patikrino plono elektrolito sluoksnio eksperimente, kur tėkmė buvo varoma elektromagnetiškai. Tai buvo beveik dvimatė tėkmė – tokia, kurioje klasikinė teorija prognozuotų atvirkštinę energijos kaskadą (į didesnes struktūras). Vis dėlto tyrėjai papildomai įrengė tiksliai orientuotą strypų struktūrą, kuri specifiniu būdu trikdė srautą, o judėjimą sekė naudodami skystyje esančias žymimąsias daleles.
Rezultatas buvo aiškus: pakeitus sąveikų geometriją, sistema iš tiesų galėjo pereiti į režimą, kuriame energija keliauja į mažesnes skales. Tai svarbu, nes tokiose situacijose didžiausia rizika – kad nauja koncepcija puikiai veiks teorijoje ar kompiuteriuose, bet „ištirps“ realiame skystyje. Šį kartą tokio neatitikimo nematyti: eksperimentai ir simuliacijos sutapo.
Toks atradimas turi ir grynai intelektualų svorį. Turbulencija seniai laikoma vienu sunkiausiai „prisijaukinamų“ reiškinių klasikinėje fizikoje. Todėl bet koks rezultatas, kuris ne tik tiksliau ją aprašo, bet ir leidžia tikėtis jos pagrindinio mechanizmo valdymo, natūraliai sukelia didelį atgarsį.
Skamba abstrakčiai, bet pasekmės – labai praktiškos
Viena akivaizdžiausių pritaikymo sričių – pakrančių srovės ir taršos pernaša. Tyrėjai svarsto, kad nedidelės fizinės užtvaros galėtų pakeisti didelių pernašos struktūrų elgesį taip, kad būtų galima daryti įtaką nuotekų ar kitų medžiagų sklaidai palei pakrantes. Kitaip tariant, nebūtina „perprojektuoti“ visos jūros, kad subtiliai pakeistumėte, kaip energija organizuoja vandens judėjimą didesniu masteliu.
Antra įdomi kryptis – mikrolygis. Mikrofluidikos sistemose, kur svarbus kiekvienas lašas ir kiekvienas kanalas, kurio plotis tesiekia milimetro dalį, skysčių maišymas dažnai sudėtingas, nes tėkmė būna pernelyg tvarkinga, o klampa slopina sūkurius. Jei vis dėlto įmanoma sukurti savotišką silpną turbulenciją esant mažam Reinoldso skaičiui, tinkamai suderinus jėgas ir poslinkius, atsivertų kelias efektyvesniam reagentų maišymui. Tokiose sistemose maišymo kokybė gali lemti labai daug – nuo diagnostikos iki vaistų gamybos.
Galiausiai tai aktualu ir klimatui bei okeanografijai. Čia kalbama ne apie pažadą, kad vienas naujas modelis išspręs visų klimato prognozių problemas, o apie realesnį tikslą: geriau suprasti, kada ir kodėl energija atmosferoje ar vandenynuose elgiasi ne taip, kaip teigia supaprastintas vaizdas. O sistemose, kuriose itin svarbi impulso, šilumos ir teršalų pernaša, net nedidelis mechanizmo supratimo pagerėjimas gali turėti didelę reikšmę.
