Por décadas, físicos, Los ingenieros y matemáticos no han logrado explicar un fenómeno notable en la mecánica de fluidos:la tendencia natural de la turbulencia en los fluidos a pasar de un caos desordenado a patrones perfectamente paralelos de bandas turbulentas oblicuas. Muchos científicos observaron esta transición de un estado de turbulencia caótica a un patrón altamente estructurado, pero nunca entendido.

En el Laboratorio de Complejidad Emergente en Sistemas Físicos de EPFL, Tobias Schneider y su equipo han identificado el mecanismo que explica este fenómeno. Sus hallazgos han sido publicados en Comunicaciones de la naturaleza .

Del caos al orden

Las ecuaciones utilizadas para describir la gran variedad de fenómenos que ocurren en los flujos de fluidos son bien conocidas. Estas ecuaciones capturan las leyes fundamentales de la física que gobiernan la dinámica de fluidos, asignatura que se imparte a todos los estudiantes de física e ingeniería desde el nivel de pregrado en adelante.

Pero cuando la turbulencia entra en juego, las soluciones de las ecuaciones se vuelven no lineales, complejo y caótico. Esto lo hace imposible por ejemplo, para predecir el clima en un horizonte de tiempo extendido. Sin embargo, la turbulencia tiene una sorprendente tendencia a pasar del caos a un patrón altamente estructurado de bandas turbulentas y laminares. Este es un fenómeno notable, sin embargo, el mecanismo subyacente permaneció oculto en las ecuaciones hasta ahora.

Esto es lo que sucede:cuando se coloca un fluido entre dos placas paralelas, cada uno moviéndose en una dirección opuesta, se crea turbulencia. En primer lugar, la turbulencia es caótica, luego se autoorganiza para formar bandas oblicuas regulares, separados por zonas de calma (o flujos laminares). Ningún mecanismo obvio selecciona la orientación oblicua de las bandas o determina la longitud de onda del patrón periódico.

Oculto en ecuaciones simples

Schneider y su equipo resolvieron el misterio. "Como predijo el físico Richard Feynman, la solución no se encontraba en nuevas ecuaciones, sino dentro de la ecuación que ya estaba disponible para nosotros, "explica Schneider." Hasta ahora, los investigadores no tenían herramientas matemáticas lo suficientemente poderosas para verificar esto ".

Los investigadores combinaron una de esas herramientas, conocida como teoría de sistemas dinámicos, con las teorías existentes sobre la formación de patrones en fluidos y simulaciones numéricas avanzadas. Calcularon soluciones de equilibrio específicas para cada paso del proceso, permitiéndoles explicar la transición del estado caótico al estado estructurado.

"Ahora podemos describir el mecanismo de inestabilidad inicial que crea el patrón oblicuo, "explica Florian Reetz, el autor principal del estudio. "Por lo tanto, hemos resuelto uno de los problemas más fundamentales en nuestro campo. Los métodos que desarrollamos ayudarán a aclarar la dinámica caótica de los patrones turbulentos-laminares en muchos problemas de flujo. Es posible que algún día nos permitan controlar mejor los flujos".

Un fenomeno importante

En mecánica de fluidos, La formación de patrones de franjas es importante porque muestra cómo los flujos turbulentos y laminares compiten constantemente entre sí para determinar el estado final del fluido. es decir., turbulento o laminar. Esta competencia surge cada vez que se forman turbulencias, como cuando el aire fluye sobre un automóvil. La turbulencia comienza en un área pequeña en el techo del automóvil, pero luego se propaga, porque la turbulencia es más fuerte que el flujo laminar en este caso particular. Por tanto, el estado final es turbulento.

Cuando se forma el patrón de rayas, significa que los flujos laminares y turbulentos son iguales en fuerza. Sin embargo, esto es muy difícil de observar en la naturaleza, fuera de las condiciones controladas de un laboratorio. Este hecho apunta a la importancia del éxito de los investigadores de la EPFL al explicar una propiedad fundamental de la turbulencia. Sus hallazgos no solo explican un fenómeno que se puede observar en un laboratorio, pero también podrían ayudar a comprender y controlar mejor los fenómenos relacionados con el flujo que ocurren en la naturaleza.