Japońscy badacze dokonali właśnie czegoś, co może wywrócić do góry nogami nasze rozumienie fizyki płynów. Nie jest to kolejne „rewolucyjne” odkrycie, które umrze śmiercią naturalną w laboratorium – to solidna nauka, która zmusza nas do zweryfikowania podstawowych założeń.
Dwa typy turbulencji w jednym płynie
Zespół naukowców z Okinawa Institute of Science and Technology ujawnił współistnienie dwóch fundamentalnie różnych typów turbulencji w płynach polimerowych. Dotychczas uważano, że turbulencja inercyjna i elastyczna występują oddzielnie w różnych warunkach. Pierwsza dominuje w szybkich, dużych przepływach, druga – w bardzo wolnych, delikatnych.
Czytaj także: Naukowcy złamali podstawowe zasady fizyki. Ten przełom zmieni oblicze współczesnej technologii
Tymczasem okazuje się, że ruch płynu na dużą skalę zachowuje się jak turbulencja inercyjna, podczas gdy ten sam przepływ przechodzi w turbulencję elastyczną, gdy obserwujemy go w najmniejszej skali. To tak, jakby w jednej rzece płynęły jednocześnie dwa różne nurty wody – coś, co dotąd uważano za fizycznie niemożliwe.
Największe symulacje w historii
Odkrycie było możliwe dzięki bezprecedensowym symulacjom komputerowym. Dr Piyush Garg z zespołu badawczego podkreśla, że uchwycenie informacji na tak małą skalę wymagało systemu komputerowego zdolnego do efektywnego uruchamiania modeli o ekstremalnie wysokiej rozdzielczości.
Wyniki pokazują podwójne skalowanie spektrum energii kinetycznej w płynach polimerowych. Dla dużych skal obowiązuje klasyczne skalowanie Kolmogorowa, podczas gdy dla małych skal występuje skalowanie turbulencji elastycznej. Skala długości Kolmogorowa wyznacza granicę między tymi dwoma reżimami.
To może wyjaśniać, dlaczego zjawisko nigdy wcześniej nie zostało zaobserwowane – poziom szczegółowości wymagany do jego wykrycia był po prostu nieosiągalny dla wcześniejszych technologii.
Praktyczne zastosowania
Choć brzmi to jak czysto akademicka ciekawostka, wyniki mają istotne implikacje praktyczne. Mogą przyczynić się do lepszego zrozumienia redukcji oporu w rurociągach, optymalizacji procesów mieszania chemicznego oraz rozwoju zastosowań biomedycznych, w tym celowanego dostarczania leków.
Turbulencja elastyczna była już wykorzystywana do projektowania urządzeń o zwiększonym mieszaniu i kinetyce reakcji. Nowe odkrycie stawia intrygujące pytanie o wpływ tej turbulencji w małej skali na inne globalne właściwości przepływu w praktycznych zastosowaniach.
Perspektywy na przyszłość
Badanie łączy dwie wcześniej oddzielne gałęzie badań nad turbulencją i płynami złożonymi. Profesor Marco Rosti z zespołu badawczego zauważa, że to wynik interdyscyplinarnego środowiska badawczego OIST, gdzie badacze mogą dzielić się spostrzeżeniami i rozwiązywać otwarte problemy z różnych dziedzin.
Odkrycie ukrytej turbulencji w płynach polimerowych pokazuje, że nawet pozornie dobrze poznane zjawiska mogą skrywać niespodzianki. Sugeruje to, że turbulencja elastyczna jest znacznie bardziej rozpowszechniona, niż wcześniej sądzono. To z kolei otwiera nowe możliwości dla inżynierii i medycyny.
Czytaj także: Woda w dwóch stanach naraz. Naukowcy dokonali niemożliwego
To doskonałe przypomnienie faktu, iż natura wciąż skrywa przed nami wiele tajemnic – nawet w butelce szamponu stojącej w naszej łazience. Choć daleko nam jeszcze do praktycznego wykorzystania tych odkryć w codziennych produktach, badania torują drogę dla przyszłych innowacji, które mogą kiedyś zmienić sposób projektowania wszystkiego – od systemów hydraulicznych po leki.