Fysikere vendte den retning energien flyder gennem turbulens og bøjede en 80 år gammel regel

I et tyndt lag hvirvlende vand fik fysikere energien til at løbe den forkerte vej. I stedet for at kaskadere mod stadig mindre hvirvler eller mod stadig større gjorde strømmen, hvad forskerne valgte, alt efter hvordan de stillede de kræfter op, der rørte i den. Resultatet udfordrer en antagelse, der har formet strømningsfysikken i mere end firs år.

I mere end firs år har det gængse billede af turbulens været en énvejskaskade. I de tredimensionelle strømme i en flod eller på det åbne hav mente man, at energien støt vandrede fra store hvirvler ned til små, hvor den til sidst spredes som varme. I tynde, næsten todimensionelle lag troede man, at kaskaden vendte, så små hvirvler fodrede de større. Uanset hvad syntes retningen fastlagt af geometrien i det rum, væsken levede i.

Det nye arbejde løsner den retning fra strømmens dimensioner. Det, der fastsætter retningen, fandt forskerne, er samspillet mellem to størrelser i hvert punkt i væsken: den spænding, der klemmer den, og den deformation, den undergår som svar. Justér vinklen mellem kraft og forskydning, og energien kan skubbes op eller ned ad skalaen. Beholderens form holder op med at være en skæbne.

For at vise det drev holdet et lavt lag elektrisk ledende væske med magnetiske kræfter, dryssede sporpartikler i og filmede, hvordan de bevægede sig. Ved at omforme mønstret for påvirkningen frembragte de strømme med fremadrettet energioverførsel og strømme med omvendt overførsel i samme apparat. Computersimuleringer af samme opstilling gengav omslaget, den slags overensstemmelse, der gør et overraskende billede til en måling.

At styre kaskaden har praktisk rækkevidde. Den retning, energien flyder i en væske, styrer, hvordan ting spreder sig gennem den, så at styre den kunne ændre, hvordan en kyst spreder en fane af spildevand, hvordan en mikrofluidchip blander små mængder til en medicinsk prøve, eller hvordan energi bevæger sig gennem de lagdelte strømme, som klimamodeller forsøger at indfange.

Demonstrationen lever i et omhyggeligt kontrolleret, i bund og grund todimensionelt system, ikke i den rodede tredimensionelle turbulens i en storm eller en dyb strøm. Om det samme greb om retningen overlever i fuldt tredimensionelle, energirige strømme er et åbent spørgsmål, og springet fra en laboratoriebakke til havet er stort. Princippet er nu fastlagt; dets rækkevidde ikke.

Forskningen blev udført af et hold ledet fra University of Pittsburgh i samarbejde med universitetet i Torino og blev offentliggjort i tidsskriftet Science Advances. Gruppens næste skridt er at afprøve, hvor langt styringen via tensorjustering rækker, efterhånden som strømme bliver tykkere og mere energirige, det regime, hvor det meste virkelige turbulens faktisk lever.

Tags: physics