Untersuchungen legen nahe, wie Turbulenzen zur Erzeugung von Mustern genutzt werden können

Die turbulente Bewegung eines tosenden Flusses oder der Ausfluss eines Strahltriebwerks ist chaotisch, das heißt, sie weist kein offensichtliches Muster auf.

Doch laut einer neuen Studie können aus der turbulenten Bewegung von Flüssigkeiten regelmäßige Muster entstehen. Was Sie brauchen, ist eine faszinierende Eigenschaft namens „seltsame Viskosität“, die unter bestimmten Bedingungen auftritt, beispielsweise wenn sich alle Partikel in der Flüssigkeit in die gleiche Richtung drehen. Obwohl es sich um einen speziellen Umstand handelt, gibt es in der Natur viele Zusammenhänge, in denen eine Version dieses Effekts auftreten kann, beispielsweise in der Korona der Sonne und im Sonnenwind.

„Dieser überraschende Effekt könnte den wachsenden Werkzeugkasten zur Kontrolle und Gestaltung von Turbulenzen ergänzen“, sagte Michel Fruchart, früher Postdoktorand an der UChicago, jetzt Dozent am französischen Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) und Co-Erstautor der Arbeit die Befunde beschreiben.

Die Studie, eine Zusammenarbeit zwischen der University of Chicago, der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden und dem CNRS, ist veröffentlicht In Natur.

Eine chaotische Natur

Ungeachtet dessen, wie viel wir in den letzten Jahrhunderten über die klassische Physik gelernt haben, gibt es ein Problem, das sich immer noch einer vollständigen Erklärung entzieht: das Phänomen, das als Turbulenz bekannt ist. Obwohl Turbulenzen jeden Tag um uns herum auftreten – von den Wolken, die in der Atmosphäre über uns aufwirbeln, bis hin zum Blut, das durch unsere Gefäße fließt – sind sie immer noch nicht so gut verstanden wie andere häufige physikalische Phänomene.

„Turbulenzen mögen in der Natur alltäglich sein, aber sie werden immer noch nur teilweise verstanden“, sagte Xander de Wit, Co-Erstautor der Veröffentlichung und Doktorand an der Technischen Universität Eindhoven.

Dies trotz der Tatsache, dass wir möglicherweise viele Durchbrüche erzielen könnten, wenn wir Turbulenzen verstehen und kontrollieren könnten; Vielleicht könnten wir zum Beispiel effizientere Flugzeugflügel, Triebwerke und Windkraftanlagen entwerfen.

Es gibt jedoch Dinge, die Wissenschaftler über Turbulenzen wissen. Wenn Sie eine Flasche Wasser schütteln, bilden sich Wirbel. Sie beginnen ungefähr in der Größe der Flaschenlänge; dann teilen sich die Wirbel in kleinere Wirbel auf, dann wieder in kleinere Wirbel und so weiter, bis sich die Wirbel auflösen. Dies wird als Kaskade bezeichnet. Aber wenn man das Gleiche tut, aber das Wasser auf eine dünne Schicht beschränkt, verschmelzen die Wirbel stattdessen zu einem großen Wirbel – der Große Rote Fleck auf der Jupiteroberfläche ist ein Beispiel für dieses Phänomen, sagte Fruchart.

Die Wissenschaftlergruppe fragte sich, ob es möglich sei, mittelgroße Wirbel zu erzeugen und zu halten – weder einen großen Wirbel noch immer kleinere.

Die Antwort lautet „Ja“, wenn Ihre Flüssigkeit eine Eigenschaft aufweist, die unter dem Begriff „seltsame Viskosität“ bekannt ist.

Unter Viskosität versteht man in der Regel ein Maß dafür, wie schwierig das Rühren ist – zum Beispiel ist es schwieriger, ein Glas Honig zu rühren als ein Glas Wasser. Bei normaler Viskosität zerstreut die Bewegung die Energie, die Sie ihr durch Rühren mit Ihrem Löffel zugeführt haben. Aber „seltsame Viskosität“ verändert die Art und Weise, wie sich Objekte bewegen, führt aber nicht zum Verlust von Energie. Es wurde unter bestimmten seltenen Bedingungen im Labor beobachtet.

Die Forscher erstellten eine Simulation, bei der die Partikel eine seltsame Viskosität aufwiesen – in diesem Fall indem sie alle Partikel der Flüssigkeit wie Kreisel drehen ließen. Dann fanden die Forscher eine Überraschung, indem sie die Parameter optimierten, etwa die Geschwindigkeit, mit der sich die Teilchen drehen würden. An einem bestimmten Punkt begannen sie, Muster statt zufälliger Wirbel zu erkennen.

„Wir haben herausgefunden, dass der Trick darin besteht, eine gemischte Kaskade zu erzeugen, bei der große Wirbel dazu neigen, sich zu teilen und kleine Wirbel dazu neigen, zu verschmelzen“, sagte Fruchart. „Wenn man die richtige Balance findet, sieht man, wie sich Muster bilden.“

„Als wir diese Effekte zum ersten Mal sahen, verstanden wir nicht ganz, was wir da sahen, aber man konnte sogar mit dem bloßen Auge erkennen, dass etwas anderes war“, sagte die Co-Autorin der Studie und UChicago-Doktorandin Tali Khain. „Wir mussten eine Theorie entwickeln, um es zu erklären, und das war wirklich spannend.“

Obwohl sich nicht alle Teilchen in Flüssigkeiten wie Kreisel drehen, gibt es Beispiele in der Natur. So verhalten sich beispielsweise Elektronen oder mehratomige Gase in einem Magnetfeld.

„Neben der Sonne und dem Sonnenwind gibt es verschiedene Kontexte, in denen eine Version dieses Effekts existieren könnte, einschließlich atmosphärischer Strömungen, Plasmen und aktiver Materie“, sagte Prof. Vincenzo Vitelli von UChicago, einer der leitenden Autoren des Papiers.

Während die Wissenschaftler daran arbeiten, ein umfassenderes Verständnis ihrer Ergebnisse zu entwickeln, hoffen sie, dass dies zu einem besseren Verständnis des Zusammenspiels zwischen Wirbeln und Wellen in turbulenten Strömungen führen wird.

„Wir stehen erst am Anfang“, sagte Vitelli, „aber ich bin fasziniert von der Idee, dass man einen turbulenten Zustand, der der Inbegriff des Chaos ist, nutzen kann, um Muster zu schaffen – das ist eine tiefgreifende Veränderung, die nur von einem gemacht wird.“ Twist im kleinsten Maßstab.