Podczas gdy porządek często przechodzi w chaos, czasem odwrotność jest prawdziwa. Na przykład turbulentny płyn ma tendencję do spontanicznego tworzenia uporządkowanego wzoru: równoległe paski.
Chociaż fizycy obserwowali to zjawisko eksperymentalnie, mogą teraz wyjaśnić, dlaczego tak się dzieje, stosując podstawowe równania dynamiki płynów, przybliżając ich do zrozumienia, dlaczego cząstki zachowują się w ten sposób.
W laboratorium, gdy płyn jest umieszczany pomiędzy dwiema równoległymi płytami, które poruszają się w przeciwnych kierunkach od siebie, jego przepływ staje się turbulentny. Ale po chwili turbulencja zaczyna wygładzać się w paski. Rezultatem jest płótno gładkich i turbulentnych linii biegnących pod kątem do strumienia (wyobraź sobie lekkie fale wywołane wiatrem w rzece).
„Z chaotycznego ruchu turbulencji uzyskuje się strukturę i porządek” - powiedział starszy autor Tobias Schneider, adiunkt w szkole inżynierskiej w szwajcarskim Federalnym Instytucie Technologii w Lozannie. To „dziwne i bardzo niejasne” zachowanie „fascynowało naukowców od bardzo dawna”.
Fizyk Richard Feynman przewidział, że wyjaśnienie musi być ukryte w podstawowych równaniach dynamiki płynów, zwanych równaniami Naviera-Stokesa.
Ale te równania są bardzo trudne do rozwiązania i analizy, Schneider powiedział Live Science. (Pokazanie, że równania Naviera-Stokesa mają nawet płynne rozwiązanie w każdym punkcie dla płynu 3D, jest jednym z problemów z nagrodą milenijną o wartości 1 miliona dolarów). Do tego momentu nikt nie wiedział, jak równania przewidywały zachowania kształtujące wzór. Schneider i jego zespół zastosowali kombinację metod, w tym symulacje komputerowe i obliczenia teoretyczne, aby znaleźć zestaw „bardzo specjalnych rozwiązań” tych równań, które matematycznie opisują każdy krok przejścia od chaosu do porządku.
Innymi słowy, rozbili chaotyczne zachowanie na nie chaotyczne elementy składowe i znaleźli rozwiązania dla każdego małego kawałka. „Obserwowane przez nas zachowanie nie jest tajemniczą fizyką” - powiedział Schneider. „Jest to w jakiś sposób ukryte w standardowych równaniach opisujących przepływ płynu”.
Ten wzór jest ważny do zrozumienia, ponieważ pokazuje, w jaki sposób turbulentny i spokojny, zwany inaczej „przepływem laminarnym”, konkurują ze sobą, aby określić swój stan końcowy, zgodnie z oświadczeniem. Kiedy pojawia się ten wzór, turbulentne i laminarne przepływy mają taką samą siłę - bez żadnej strony wygrywającej przeciąganie liny.
Ale ten wzór nie jest tak naprawdę widoczny w naturalnych systemach, takich jak turbulencje w powietrzu. Schneider zauważa, że taki wzór byłby „zły” dla samolotu, ponieważ musiałby latać przez rusztowanie wyboistych turbulentnych, a nie burzliwych linii.
Powiedział, że głównym celem tego eksperymentu było zrozumienie podstawowej fizyki płynów w kontrolowanym środowisku. Dodał, że tylko dzięki zrozumieniu bardzo prostych ruchów płynów możemy zrozumieć bardziej złożone systemy turbulencji, które istnieją wszędzie wokół nas, od przepływu powietrza wokół samolotów do wnętrza rurociągów.
Naukowcy opublikowali swoje odkrycia 23 maja w czasopiśmie Nature Communications.
