Turbulens finns överallt – den rasslar på våra plan och gör små bubbelpooler i våra badkar – men det är ett av de minst förstådda fenomenen i klassisk fysik.

Turbulens uppstår när ett ordnat vätskeflöde bryter upp i små virvlar, som interagerar med varandra och bryter upp i ännu mindre virvlar, som interagerar med varandra och så vidare, att bli den kaotiska malström av oordning som gör forsränning så roligt.

Men mekaniken bakom denna nedstigning till kaos har förbryllat forskare i århundraden.

När de inte förstår något, fysiker har en god lösning:slå ihop det. Vill du förstå universums grundläggande byggstenar? Slå ihop partiklarna. Vill du reda ut den underliggande turbulensmekaniken? Slå ihop virvlar.

Forskare vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) kan ha identifierat en grundläggande mekanism genom vilken turbulens utvecklas genom att krossa virvelringar rakt mot varandra, spela in resultaten med ultrahögupplösta kameror, och rekonstruera kollisionsdynamiken med hjälp av ett 3D-visualiseringsprogram. Tillsammans med analysen av numeriska simuleringar utförda av medarbetare vid University of Houston och ENS de Lyon, forskarna har fått en aldrig tidigare skådad insikt i hur flytande system förvandlas från ordning till oordning.

Forskningen beskrivs i Vetenskapliga framsteg .

"Vår förmåga att förutsäga vädret, förstå varför en Boeing 747 flyger även med turbulenta strömmar i kölvattnet, och bestämma de globala flödena i havet beror på hur väl vi modellerar turbulens, "sade Shmuel Rubinstein, Docent i tillämpad fysik vid SEAS och motsvarande författare till uppsatsen. "Dock, vår förståelse av turbulens saknar fortfarande en mekanistisk beskrivning som förklarar hur energi kaskader till mindre och mindre skalor tills den slutligen försvinner. Den här forskningen öppnar dörren till just den typen av förståelse."

"Att försöka förstå vad som händer i ett extremt komplext system som turbulens är alltid en utmaning, sade Rodolfo Ostilla-Mónico, Biträdande professor i maskinteknik vid University of Houston och motsvarande författare till artikeln. "På varje längdskala, virvlar anstränger och komprimerar varandra för att skapa en kaotisk bild. Med detta arbete, vi kan börja isolera och titta på enkla parinteraktioner, och hur dessa leder till rik dynamik när tillräckligt många av dem finns."

Fysiker har använt virvelkolliderar för att förstå turbulenser sedan 1990-talet, men tidigare experiment har inte kunnat sakta ner och rekonstruera mekaniken bakom kollisionen, det ögonblick det hamnar i kaos. Att göra det, forskarna synkroniserade ett kraftfullt skanningslaserark med en höghastighetskamera – som kan ta hundratusentals bilder per sekund – för att snabbt skanna hela kollisionen i realtid.

De använde vortexkanoner i ett 75-liters akvarium för att producera virvlarna. Varje virvel färgades i en annan färg, så att forskare kunde observera hur de interagerar när de kolliderar med våld. Det tar mindre än en sekund för ringarna att försvinna till en färgbloss efter kollisionen, men inom den tiden, det händer mycket fysik.

Först, ringarna sträcker sig utåt när de slår in i varandra och kanterna bildar antisymmetriska vågor. Topparna på dessa vågor utvecklas till fingerliknande filament, som växer vinkelrätt mellan de kolliderande kärnorna.

Dessa filament roterar mot varandra med sina grannar, skapa en ny uppsättning miniatyrvirvlar som interagerar med varandra i millisekunder. Dessa virvlar bildar också filament, som i sin tur bildar virvlar. Forskargruppen observerade tre generationer av denna kaskadcykel, var och en samma som tidigare, bara mindre — en rysk häckande docka av oordning.

"Detta liknande beteende från storskalighet till liten skala uppstår mycket snabbt och ordnat innan det hela bryter ner i turbulens, sa Ryan McKeown, en doktorand vid SEAS och första författare till tidningen. "Denna kaskadeffekt är verkligen spännande eftersom den kan peka på en universell mekanism för hur dessa interaktioner fungerar, oberoende av skala."

Förutom experimenten, forskargruppen utvecklade också numeriska simuleringar för att förstå dynamiken i nedbrytningen och kvantifiera hur energispektrumet för kaskaden utvecklas. Turbulens har ett mycket specifikt och väldefinierat energispektrum. Även om detta system är betydligt enklare än turbulensen som rasslar ett plan, forskarna fann att energispektrat vid det sena nedbrytningsskedet av virvlarna följer samma kontrollampa skalning av fullt utvecklad turbulens.

"Detta är en bra indikation på att även om detta är ett annat system - under en kort tid - skapar det samma turbulensförhållanden. Det är en utgångspunkt, sa McKeown.