La turbulencia está en todas partes, hace vibrar nuestros aviones y hace pequeños remolinos en nuestras bañeras, pero es uno de los fenómenos menos comprendidos en la física clásica.

La turbulencia ocurre cuando un flujo de fluido ordenado se rompe en pequeños vórtices, que interactúan entre sí y se rompen en vórtices aún más pequeños, que interactúan entre sí, etc. convirtiéndose en la caótica vorágine del desorden que hace que el rafting sea tan divertido.

Pero la mecánica de ese descenso al caos ha desconcertado a los científicos durante siglos.

Cuando no entienden algo Los físicos tienen una solución a la que recurrir:aplastarlos juntos. ¿Quiere comprender los bloques de construcción fundamentales del universo? Rompe las partículas juntas. ¿Quiere desentrañar la mecánica subyacente de la turbulencia? Romper vórtices juntos.

Los investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson pueden haber identificado un mecanismo fundamental por el cual la turbulencia se desarrolla al romper los anillos de vórtice uno contra el otro. grabar los resultados con cámaras de ultra alta resolución, y reconstruir la dinámica de la colisión utilizando un programa de visualización en 3-D. Unido al análisis de simulaciones numéricas realizadas por colaboradores de la Universidad de Houston y ENS de Lyon, los investigadores han obtenido una visión sin precedentes de cómo los sistemas fluídicos se transforman del orden al desorden.

La investigación se describe en Avances de la ciencia .

"Nuestra capacidad para predecir el clima, comprender por qué un Boeing 747 vuela incluso con corrientes turbulentas a su paso, y determinar los flujos globales en el océano depende de qué tan bien modelemos la turbulencia, "dijo Shmuel Rubinstein, Profesor Asociado de Física Aplicada en SEAS y autor correspondiente del artículo. "Sin embargo, nuestra comprensión de la turbulencia todavía carece de una descripción mecanicista que explique cómo la energía cae en cascada a escalas cada vez más pequeñas hasta que finalmente se disipa. Esta investigación abre la puerta a ese tipo de comprensión ".

"Tratar de dar sentido a lo que está sucediendo en un sistema extremadamente complejo como la turbulencia es siempre un desafío, "dijo Rodolfo Ostilla-Mónico, Profesor asistente de ingeniería mecánica en la Universidad de Houston y autor correspondiente del artículo. "En todas las escalas de tallas, los vórtices se tensan y se comprimen entre sí para generar una imagen caótica. Con este trabajo podemos comenzar a aislar y observar interacciones simples de pares, y cómo estos conducen a una rica dinámica cuando hay suficientes ".

Los físicos han estado usando colisionadores de vórtices para comprender las turbulencias desde la década de 1990, pero los experimentos anteriores no han podido ralentizar y reconstruir la mecánica de la colisión, en el momento en que desciende al caos. Para hacer eso, los investigadores sincronizaron una poderosa hoja láser de escaneo con una cámara de alta velocidad, capaz de tomar cientos de miles de imágenes por segundo, para escanear rápidamente toda la colisión en tiempo real.

Utilizaron cañones de vórtice en un acuario de 75 galones para producir los vórtices. Cada vórtice se tiñó de un color diferente, para que los investigadores pudieran observar cómo interactúan cuando chocan violentamente. Los anillos tardan menos de un segundo en desaparecer en una bocanada de tinte después de la colisión. pero dentro de ese tiempo, sucede mucha física.

Primero, los anillos se estiran hacia afuera cuando chocan entre sí y los bordes forman ondas antisimétricas. Las crestas de estas ondas se convierten en filamentos con forma de dedos, que crecen perpendicularmente entre los núcleos en colisión.

Estos filamentos giran en contrarrotación con sus vecinos, creando una nueva serie de vórtices en miniatura que interactúan entre sí durante milisegundos. Esos vórtices también forman filamentos, que a su vez forman vórtices. El equipo de investigación observó tres generaciones de este ciclo en cascada, cada uno igual que antes, sólo que más pequeño:una muñeca rusa del desorden.

"Este comportamiento similar de la gran escala a la pequeña escala emerge de forma muy rápida y ordenada antes de que todo se convierta en turbulencia, "dijo Ryan McKeown, estudiante de posgrado en SEAS y primer autor del artículo. "Este efecto en cascada es realmente emocionante porque podría apuntar a un mecanismo universal de cómo funcionan estas interacciones, independiente de la escala ".

Además de los experimentos, El equipo de investigación también desarrolló simulaciones numéricas para comprender la dinámica de la ruptura y cuantificar cómo evoluciona el espectro energético de la cascada. La turbulencia tiene un espectro energético muy específico y bien definido. Si bien este sistema es considerablemente más simple que la turbulencia que hace vibrar un avión, los investigadores encontraron que el espectro de energía en la etapa tardía de la ruptura de los vórtices sigue la misma escala reveladora de turbulencia completamente desarrollada.

"Esta es una gran indicación de que, si bien se trata de un sistema diferente, durante un breve período de tiempo, está creando las mismas condiciones de turbulencia. Es un punto de partida, "dijo McKeown.