Yeni Bir Çalışmanın Sonuçları, Sonunda Bize Türbülanslar İçin Bir 'Zaman Çizelgesi' Verebilir

Akışkanlar, bilime göre gerçekten kaotik unsurlardır, ancak hareketlerini hesaplamanın yeni bir yolu, akışlarını yakında çok daha öngörülebilir hale getirebilir.

Bilim insanları bunu yalnızca hidrodinamik anlayışımızı geliştirmek için kullanmakla kalmaz, aynı zamanda hava tahminlerinden araç tasarımına kadar her şeyi çok daha doğru hale getirebilir.

Georgia Institute of Technology'den fizikçiler, türbülansın ölçülebilir kalıpları yansıttığı anları tanımlamanın mümkün olduğunu gösterdiler ve pandemonium içinde matematiksel olarak düzenin titreşimlerini etkili bir şekilde buldular.

Georgia Tech fizikçisi Roman Grigoriev, "Yaklaşık 100 yıldır, türbülans istatistiksel olarak rastgele bir süreç olarak tanımlandı" diyor.

"Sonuçlarımız, uygun şekilde kısa zaman ölçeklerinde türbülans dinamiklerinin deterministik olduğunu ve onu temeldeki deterministik yönetim denklemlerine bağladığını gösteren ilk deneysel örneği sağlıyor."

Bir sıvıda küçük girdapların veya girdapların oluşma şekli nedeniyle türbülansı tahmin etmek büyük ölçüde zordur. Malzeme düzgün bir akımda düz bir çizgide aktığında, hızını ve yörüngesini tahmin etmek kolaydır. Akımdaki herhangi bir yol, belki de daha az hareketli bir yüzey boyunca sürüklenerek yavaşlarsa, sıvı kendi üzerine kıvrılacaktır.

Her yeni kıvrılma akımı ile yeni girdaplar üretebilen yeni bir yüzey oluşur.

Sadece daha da karmaşık hale getirmek için, her bir girdap, basınçtan viskoziteye kadar bir dizi faktörün durumuna göre hareket eder ve hiçbir bilgisayarın takip edemeyeceği bir fırtınaya dönüşür.

Yakından, her şey çok rastgele görünüyor. Bir adım geri atarsanız ve istatistikler, genel sürecin, Evrendeki diğer tüm hareketli nesneleri yöneten aynı eski kurallara sıkı sıkıya bağlı kaldığını açıkça ortaya koyuyor.

Grigoriev, "Türbülans, bir dizi yolu izleyen bir araba olarak düşünülebilir" diyor.

"Belki de daha iyi bir benzetme, yalnızca belirli bir zaman çizelgesinde bir demiryolunu takip etmekle kalmayan, aynı zamanda izlediği demiryolu ile aynı şekle sahip olan bir trendir."

Tıpkı analojik demiryolumuzda olduğu gibi, türbülansı sayısal bir simülasyon veya fiziksel modeller yoluyla tanımlamak mümkündür.

Ekip, tahminleri basitleştirmenin bir yolu olup olmadığını görmek için şeffaf duvarları ve içinde küçük floresan parçacıkları içeren bir sıvısı olan bir tank kurdu. Akışkanı bağımsız olarak dönen bir çift silindir arasında kanalize etmek ve parlayan içeriği takip etmek, trenlerin istasyondan gerçek zamanlı olarak geçişini izlemek gibiydi.

Ancak, araştırmacıların aslında önce zaman çizelgelerini bulmaları gerekiyordu.

Bunu yapmak, yaklaşık 200 yıl önce tasarlanmış bir dizi denklemin bilgi işlem çözümlerini içeriyordu. Ekip, deneyi matematiksel sonuçlarla hizalayarak, tutarlı yapılar olarak adlandırılan belirli türbülans modellerinin ne zaman ortaya çıktığını belirleyebilir.

Hareketli akışkanlarda düzenli olarak ortaya çıkmalarına rağmen, uyumlu yapıların zamanlaması tahmin edilemez. Bu özel kurulumda, tutarlı yapılar, biri akışın simetri ekseni etrafında eğimli, diğeri ise çevreleyen akımdaki başka bir kayma grubuna dayanan iki frekanstan oluşan yarı-periyodik bir model sundu.

Türbülansı tüm formlarında tanımlayabilen tam olarak basit bir denklem seti olmasa da tutarlı yapıların onları daha öngörülebilir hale getirmede oynayabileceği rolü görüyoruz.

Bu çalışmayı genişleterek, gelecekteki araştırmalar türbülans 'zaman çizelgelerini' daha dinamik hale getirebilir ve bunları istatistiksel ortalamaların sağlayabileceğinden daha ayrıntılı olarak açıklayabilir.

Grigoriev, "Bu, bize hava tahminlerinin doğruluğunu önemli ölçüde iyileştirme ve en önemlisi, kasırgalar ve hortumlar gibi aşırı olayların tahminini sağlama yeteneği verebilir" diyor.

Bu araştırma PNAS'ta yayınlandı.