Den turbulenta rörelsen hos en tumlande flod eller utflödet från en jetmotor är kaotisk:det vill säga den innehåller inget uppenbart mönster.
Men enligt en ny studie kan regelbundna mönster uppstå från vätskors turbulenta rörelse. Vad du behöver är en spännande egenskap som kallas "udda viskositet" som uppstår under vissa förhållanden, som när alla partiklarna i vätskan snurrar åt samma håll. Även om det är en speciell omständighet, finns det många sammanhang i naturen där en version av denna effekt kan existera, till exempel i solens korona och solvinden.
"Denna överraskande effekt kan lägga till den växande verktygslådan för att kontrollera och forma turbulens", säger Michel Fruchart, tidigare postdoktor vid UChicago, numera fakultet vid franska Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) och medförfattare till artikeln som beskriver resultaten.
Studien, ett samarbete mellan University of Chicago, Eindhoven University of Technology i Nederländerna och CNRS, publiceras i Nature.
Trots hur mycket vi har lärt oss om klassisk fysik under de senaste århundradena, finns det ett problem som fortfarande motstår fullständig förklaring:fenomenet som kallas turbulens. Även om turbulens dyker upp varje dag runt omkring oss – från molnen som väller i atmosfären ovanför till själva blodet som strömmar genom våra kärl – är det fortfarande inte lika väl förstått som andra vanliga fysiska fenomen.
"Turbulens kan vara vanligt i naturen, men det är fortfarande bara delvis förstådd", säger Xander de Wit, medförfattare till publikationen och doktorand vid Eindhovens tekniska universitet.
Detta trots att om vi kunde förstå och kontrollera turbulens skulle vi kanske kunna uppnå många genombrott; kanske skulle vi kunna designa mer effektiva flygplansvingar, motorer och vindturbiner, till exempel.
Men det finns saker som forskare vet om turbulens. Om du skakar en flaska vatten kommer du att se virvlar bildas. De börjar på ungefär samma storlek som flaskans längd; sedan delas virvlarna i mindre virvlar, och sedan igen i mindre virvlar, och så vidare tills virvlarna försvinner. Detta är känt som en kaskad. Men om du gör samma sak men begränsar vattnet till ett tunt lager, kommer virvlarna istället att smälta samman och bilda en stor virvel – den stora röda fläcken på Jupiters yta är ett exempel på detta fenomen, sa Fruchart.
Gruppen av vetenskapsmän undrade om det var möjligt att göra och hålla medelstora virvlar – varken en stor virvel eller mindre och mindre.
Svaret är ja – om din vätska har en egenskap som är känd under termen "udda viskositet."
Viskositet betyder vanligtvis ett mått på hur svårt det är att röra – till exempel är det svårare att röra en burk honung jämfört med en burk med vatten. I normal viskositet försvinner rörelsen energin du har injicerat till den genom att röra om med din sked. Men "udda viskositet" förändrar hur föremål rör sig men avleder inte energi. Det har setts under vissa sällsynta tillstånd i laboratoriet.
Forskarna byggde en simulering där partiklarna visade udda viskositet - i det här fallet genom att få alla partiklar i vätskan att snurra som toppar. Sedan, genom att justera parametrarna, som hur snabbt partiklarna skulle snurra, hittade forskarna en överraskning. Vid en viss tidpunkt började de se mönster istället för slumpmässiga virvlar.
"Tricket, vi fann, är att skapa en blandad kaskad, där stora virvlar tenderar att delas och små virvlar tenderar att smälta samman", sa Fruchart. "Om du får rätt balans ser du mönster bildas."
"När vi först såg dessa effekter förstod vi inte helt vad vi tittade på, men man kunde se att det var något annorlunda även för blotta ögat", säger studiens medförfattare och UChicago doktorand Tali Khain. "Vi var tvungna att utveckla en teori för att förklara det, och det var verkligen spännande."
Även om inte alla partiklar i vätskor snurrar som toppar, finns det exempel i naturen. Till exempel beter sig elektroner eller polyatomiska gaser i ett magnetfält på detta sätt.
"Förutom solen och solvinden, finns det olika sammanhang där en version av denna effekt kan existera, inklusive atmosfäriska flöden, plasma och aktiv materia", säger UChicago Prof. Vincenzo Vitelli, en av de äldre författarna på tidningen.
När forskarna arbetar för att utveckla en mer fullständig förståelse av sina resultat hoppas de att det kommer att leda till en bättre förståelse för samspelet mellan virvlar och vågor i turbulenta flöden.
"Vi är bara i början," sa Vitelli, "men jag är fascinerad av tanken att man kan ta ett turbulent tillstånd som är symbolen för kaos, och använda det för att skapa mönster - det är en djupgående förändring gjord av bara en vrid i minsta skala."
Mer information: Xander M. de Wit et al, Mönsterbildning genom turbulenta kaskader, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07074-z
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av University of Chicago
