Greitas kavos ir pieno maišymas puodelyje ar lietaus lašų formavimasis debesyse – tai tik du pavyzdžiai, kuriuose turbulentinis tekėjimas vaidina svarbų vaidmenį. Mokslininkai iš Vokietijos ir Prancūzijos atrado, kad iš pažiūros atsitiktinis turbulentinis judėjimas pasižymi neįtikėtinai vienoda struktūra.
Jų tyrimas rodo, kad sūkuriai yra pagrindinė turbulentinio judėjimo dalis. Šie sūkuriai yra panašūs į ledo čiuožėjo atliekamus piruetus, tai yra figūrą, kai čiuožėjas priglaudžia savo rankas, kad padidintų sukimosi greitį. Mokslininkai stebėjo pirueto efektą įvairaus dydžio sūkuriuose, susidariusiuose turbulentiniame skystyje. Tai darydami jie atskleidė paslaptį, kuri glumino turbulenciją tiriančius mokslininkus keletą dešimtmečių. Buvo suprasta, kaip didesnių sūkurių energija perduodama mažesniems sūkuriams, ir kaip ši energija mažesniuose sūkuriuose virsta į šilumą.
Pirmoje praėjusio amžiaus pusėje fizikai pradėjo tyrinėti, kaip turbulentinis judėjimas paverčia viena kryptimi tekančio skysčio energiją į visas judėjimo kryptis atitinkančią šilumą. Efekto paaiškinimui buvo pasiūlyta, taip vadinama, energijos kaskado idėja. Pagal idėją, kinetinė energija, pavyzdžiui, upės pradžioje teka kaip viena visuma, o greitai besisukantys sūkuriai susidaro krioklyje. Dideli sūkuriai suskyla į mažesnius sūkurius, kurie toliau skyla į dar mažesnius. Kuo mažesnis sūkurys, tuo mažesnis jo sukimosi greitis. Lėtai besisukančiuose mini sūkuriuose trinties energija yra tokia, kad kinetinė energija galiausiai virsta į šiluminę energiją.
Toks energijos kaskado procesas yra mūsų naudojamas kasdieniniame gyvenime, pavyzdžiui, maišymo procese – maišant pieną kavoje. Pieno judėjimas atsiranda dėl šaukštelio maišymo. Vėliau pieno judėjimas tampa be krypties. Cheminių reakcijų pagrindinės medžiagos taip pat susimaišo dėl turbulentinio judėjimo. Procesas yra žymiai greitesnis lyginant su nemaišymu.
Tačiau mokslininkai dar vis nesupranta turbulentinio tekėjimo mechanizmo. Toks supratimas leistų lengviau modeliuoti turbulentinius procesus kompiuteryje, pavyzdžiui, debesų judėjimą klimato modeliuose. Vokietijos ir Prancūzijos mokslininkai žengė dar vieną reikšmingą žingsnį aiškindamiesi turbulentinį judėjimą. Pirmą kartą nagrinėdami vieną judančią dalelę turbulentiniame judėjime, jie nustatė pagrindinius tokio judėjimo elementus.
Tam jie panaudojo dideliu greičiu įrašinėjančią kamerą. Nagrinėtos polistireno dalelės turbulentiniame vandens tekėjime. Eksperimente vanduo apšviestas labai ryškiu lazerio spinduliu. Tirdami gautus vaizdus, jie nustatė, kad nagrinėjama dalelė yra apsupta kitų trijų dalelių. Šios dalelės yra išsidėsčiusios lygiais atstumais ir suformuoja tetrahedroną. Savo eksperimente mokslininkai stebėjo, kaip kinta dalelių pozicija viena kitos atžvilgiu laikui bėgant, tai yra, kaip tetrahedronas turbulentiniame skystyje keičia savo formą ir kaip jis sukasi. Toks procesas buvo registruojamas su labai dideliu užrašymo greičiu – trisdešimt tūkstančių vaizdų per sekundę.
Gauti duomenys nustebino fizikus – dalelių judėjimą buvo galima palyginti su ledo čiuožėjo atliekamais piruetais. Ledo čiuožėjui sulenkus savo rankas sukimosi metu, sukimosi greitis žymiai padidėja. To priežastis yra kampinio momento išsilaikymo dėsnis. Dalelei esant toliau nuo sukimosi ašies, dalelė patiria didesnę trintį, nei jai esant arčiau sukimosi ašies. Todėl dalelės sukimosi greitis didėja jai judant į vidurį, link sukimosi ašies.
Eberhardas Bodenšatcas, (Eberhard Bodenschatz), dirbantis Dinamikos ir saviorganizacijos Makso Planko institute (Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization), Giotingene, kartu su savo grupe stebėjo panašų efektą turbulentiniame vandenyje. Judėjimas ištempė tetrahedroną, kuris tapo plonesniu. Taip pat tetrahedrono sukimosi ašis tapo lygiagreti pradinei skysčio tempimo krypčiai. Ištempto tetrahedrono sukimosi kryptis stipriai padidėjo. „Bet kokiu atveju kampinis momentas nepakito“, – paaiškino Bodenšacas. Stebėta dalelių dinamika gali būti palyginta su besisukančio ant ledo čiuožėjo piruetu. Bodenšacas su savo kolegomis stebėtą efektą pavadino „pirueto efektu“.
Fizikus nustebino tas faktas, kad turbulentinio skysčio centre esančio sūkurio kampinis momentas išsilaiko. „Mes dar vis nesuprantame, kodėl taip yra“, – pasakė Bodenšacas. Turbulentinio judėjimo chaose sūkuriai turėtų patirti sukimosi jėgas, kurios keičia dalelių kampinį momentą. Pirueto efektas parodo, kad turbulentinio judėjimo chaose egzistuoja santykinai didelio laipsnio tvarka.
Tvarka chaose gali būti matoma įvairiais masteliais. Naudodami aukščiau paminėtą metodą, Giotingeno fizikai nagrinėjo sūkurius, kurių diametras svyravo nuo kelių milimetrų iki kelių centimetrų. „Visais atvejais buvo stebimas pirueto efektas, – pabrėžė Bodenšacas. – Mūsų rezultatai patvirtina energijos kaskado modelį.“ Fizikai nuo 1930 metų nagrinėja turbulentinį judėjimą, darydami prielaidą, kad sūkurių dinamika yra veikiama energijos kaskado. Pagal šią idėją, sūkuriai srovėje išsitempia ir pradeda suktis greičiau apie savo išilginę ašį. Todėl dideli sūkuriai tampa nestabilūs ir suskyla į smulkesnius sūkurius, kurie vėl skyla toliau ir, galiausiai, susidaro labai maži sūkuriai.
Tačiau maždaug per paskutinius trisdešimt metų šis modelis buvo atmestas remiantis skaičiavimais. Buvo pradėta manyti, kad sukimosi ašis niekada neišsilygiuoja pagal tempimosi kryptį, bet išlieka statmena tai krypčiai. „Šie skaičiavimai tyrė tik momentinius tekėjimo laukų vaizdus, - paaiškino Bodenšacas. - Tai buvo, kaip momentinės nuotraukos. Iš kitos pusės, mes pirmą kartą stebėjome sūkurio judėjimą skystyje.“ Tai vienintelis būdas stebėti sūkurio vystymąsi laikui bėgant. Vienos dalelės judėjimo tyrimas turbulentiniame judėjime patvirtino pirueto efektą. Gauti originalūs rezultatai, apie kurių buvimą galima buvo tik įsivaizduoti.
Bodenšacas mano, kad šis tyrimas yra žingsnis pirmyn bandant spręsti svarbią turbulentinio judėjimo problemą kompiuteriniuose modeliuose. „Daugelis turbulentinio judėjimo aspektų gali būti gauti teoriniuose modeliuose, tačiau vis dar nebuvo nagrinėta, kaip įvairūs masteliai tarpusavyje sąveikauja“. Jis mano, kad tai pasikeis, kai jie geriau supras įvairių dydžių sūkurių dinamiką.
Paveikslėlyje parodyta vykdyto eksperimento principinė schema. Turbulentiniame vandenyje esančių dalelių judėjimas stebėtas naudojant keletą kamerų. Vanduo apšviestas labai ryškiu lazerio spinduliu. Stebėdami keturių dalelių judėjimą, mokslininkai nustatė, kad turbulentiniame judėjime išsilaiko kampinis momentas.
