Fysikere snudde retningen energien flyter gjennom turbulens, og bøyde en 80 år gammel regel

I et tynt lag virvlende vann fikk fysikere energien til å løpe feil vei. I stedet for å kaskadere mot stadig mindre virvler, eller mot stadig større, gjorde strømmen det forskerne valgte, alt etter hvordan de stilte opp kreftene som rørte i den. Resultatet utfordrer en antakelse som har formet strømningsfysikken i mer enn åtti år.

I mer enn åtti år har det gjengse bildet av turbulens vært en enveis kaskade. I de tredimensjonale strømmene i en elv eller på åpent hav mente man at energien jevnt vandret fra store virvler ned til små, der den til slutt spres som varme. I tynne, nesten todimensjonale lag trodde man at kaskaden snudde, slik at små virvler matet de større. Uansett virket retningen fastlagt av geometrien i rommet væsken levde i.

Det nye arbeidet løsner den retningen fra strømmens dimensjoner. Det som fastsetter retningen, fant forskerne, er samspillet mellom to størrelser i hvert punkt i væsken: spenningen som klemmer den, og deformasjonen den gjennomgår som svar. Juster vinkelen mellom kraft og forskyvning, og energien kan skyves opp eller ned skalaen. Formen på beholderen slutter å være en skjebne.

Anbefalt lesningFysikere så for første gang atomene i en krystall snu rotasjonen sin

For å vise det drev teamet et grunt lag elektrisk ledende væske med magnetiske krefter, strødde i sporpartikler og filmet hvordan de beveget seg. Ved å forme om mønsteret for pådrivet frembrakte de strømmer med fremoverrettet energioverføring og strømmer med omvendt overføring i samme apparat. Datasimuleringer av samme oppsett gjenga omslaget, den typen samsvar som gjør et overraskende bilde til en måling.

Å styre kaskaden har praktisk rekkevidde. Retningen energien flyter i en væske styrer hvordan ting sprer seg gjennom den, så å rette den kunne endre hvordan en kyst sprer en fane av avløpsvann, hvordan en mikrofluidbrikke blander små volumer til en medisinsk prøve, eller hvordan energi beveger seg gjennom de lagdelte strømmene som klimamodeller prøver å fange.

Demonstrasjonen lever i et nøye kontrollert, i bunn og grunn todimensjonalt system, ikke i den rotete tredimensjonale turbulensen i en storm eller en dyp strøm. Om det samme grepet om retningen overlever i fullt tredimensjonale, energirike strømmer er et åpent spørsmål, og spranget fra et laboratoriebrett til havet er stort. Prinsippet er nå fastlagt; rekkevidden ikke.

Forskningen ble utført av et team ledet fra University of Pittsburgh i samarbeid med universitetet i Torino og ble publisert i tidsskriftet Science Advances. Gruppens neste steg er å prøve hvor langt styringen via tensorinnretting rekker etter hvert som strømmer blir tykkere og mer energirike, regimet der det meste av virkelig turbulens faktisk lever.

Tagger: physics

Mer som dette

Lyset har alltid skjult et univers med 48 dimensjoner

Universets spøkelsesaktige harddisker: Hvorfor de største sorte hullene er laget av luft

Webb fant en galakse flere ganger tyngre enn Melkeveien — og den roterer ikke

Intelligensens nye fysikk: Termodynamisk databehandling og slutten på det digitale deterministiske paradigmet

Et metallkorn med 10 000 atomer ble holdt på to steder samtidig

Silisiumrevisoren: hvordan kunstig intelligens utfordrer den publiserte fysikkens autoritet