Os resultados de um novo estudo podem finalmente nos fornecer 'cronogramas' para turbulência: WebCuriosos

Com a física correta, é possível explodir uma caixa de circuitos através do Sistema Solar com grande precisão para chegar a um raio de mundos distantes.

Mas misture um pouco de leite em seu chá e o melhor que os físicos podem fazer é arriscar um palpite sobre os tipos de padrões que você verá girando na bebida.

Os fluidos são elementos verdadeiramente caóticos no que diz respeito à ciência, mas uma nova forma de calcular o seu movimento poderá em breve tornar o seu fluxo muito mais previsível.

Os cientistas não só poderiam usar isto para melhorar a nossa compreensão da hidrodinâmica, mas também poderiam tornar tudo, desde previsões meteorológicas até ao design de veículos, muito mais preciso.

Físicos do Instituto de Tecnologia da Geórgia mostraram que é possível identificar momentos em que a turbulência reflete padrões mensuráveis, encontrando efetivamente oscilações de ordem matematicamente ordenada dentro do pandemônio.

“Por quase um século, a turbulência foi descrita estatisticamente como um processo aleatório”, diz O físico da Georgia Tech, Roman Grigoriev.

“Nossos resultados fornecem a primeira ilustração experimental de que, em escalas de tempo adequadamente curtas, a dinâmica da turbulência é determinística – e a conecta às equações governantes determinísticas subjacentes.”

A turbulência é difícil de prever em grande parte devido à forma como pequenos redemoinhos, ou redemoinhos, se formam em um fluido. Quando o material flui em linha reta em uma corrente suave, é fácil prever sua velocidade e trajetória. Se qualquer caminho na corrente se tornar lento, talvez por ser arrastado ao longo de uma superfície menos móvel, o fluido irá enrolar-se sobre si mesmo.

A cada nova corrente de ondulação, forma-se uma nova superfície que pode produzir novos redemoinhos.

Só para complicar ainda mais, cada vórtice se comporta de acordo com uma série de fatores – da pressão à viscosidade – rapidamente resultando em uma tempestade em uma xícara de chá que nenhum computador poderia esperar acompanhar.

De perto, tudo parece tão aleatório. Dê um passo atrás e as estatísticas deixarão claro que o processo geral permanece firmemente enraizado nas mesmas velhas regras que regem todos os outros objetos em movimento no Universo.

“A turbulência pode ser pensada como um carro seguindo uma sequência de estradas”, diz Grigoriev.

“Talvez uma analogia ainda melhor seja um trem, que não apenas segue uma ferrovia em um horário prescrito, mas também tem o mesmo formato da ferrovia que segue.”

Tal como acontece com a nossa ferrovia analógica, é possível descrever a turbulência como uma simulação numérica ou por meio de modelos físicos. E assim como o horário do trem é útil para que você chegue ao trabalho na hora certa, seguir uma abordagem matemática para a turbulência é o único caminho a percorrer se você quiser previsões confiáveis.

Infelizmente, todos esses números podem aumentar rapidamente, tornando os cálculos caros.

Para ver se havia uma maneira de simplificar as previsões, a equipe montou um tanque com paredes transparentes e um fluido contendo minúsculas partículas fluorescentes. Canalizar o fluido entre um par de cilindros giratórios independentes e acompanhar o conteúdo brilhante era como observar os trens passando pela estação em tempo real.

No entanto, os investigadores precisavam primeiro de elaborar calendários e ver quais deles se assemelhavam ao que estavam a ver.

Fazer isso envolveu soluções de computação para um conjunto de equações concebido há quase 200 anos. Ao alinhar a experiência com os resultados matemáticos, a equipa conseguiu identificar quando surgiram padrões específicos de turbulência, chamados estruturas coerentes.

Embora surjam regularmente em fluidos em movimento, o momento das estruturas coerentes é imprevisível. Nesta configuração específica, as estruturas coerentes aderiram a um padrão quase periódico composto por duas frequências – uma inclinada em torno do eixo de simetria do fluxo, a outra baseada em outro conjunto de mudanças na corrente circundante.

Embora não seja exatamente um simples conjunto de equações que possa descrever a turbulência em todas as suas formas, ele demonstra o papel que as estruturas coerentes poderiam desempenhar para torná-las mais previsíveis.

Ao expandir este trabalho, pesquisas futuras poderiam tornar os seus “cronogramas” de turbulência mais dinâmicos, descrevendo-os com mais detalhes do que as médias estatísticas poderiam fornecer.

“Isso pode nos dar a capacidade de melhorar drasticamente a precisão das previsões meteorológicas e, mais notavelmente, permitir a previsão de eventos extremos, como furacões e tornados”, diz Grigoriev.

“A estrutura dinâmica também é essencial para a nossa capacidade de projetar fluxos com as propriedades desejadas, por exemplo, redução do arrasto em torno dos veículos para melhorar a eficiência do combustível, ou transporte de massa aprimorado para ajudar a remover mais dióxido de carbono da atmosfera na indústria emergente de captura direta de ar.”

Pode até finalmente lhe dizer o que esperar da sua próxima xícara de chá.

Esta pesquisa foi publicada em PNAS.