Kui kord läheb sageli kaosesse, on vahel tõsi vastupidine. Turbulentsel vedelikul on näiteks kalduvus spontaanselt moodustada korrastatud muster: paralleelsed triibud.
Ehkki füüsikud olid seda nähtust katseliselt täheldanud, saavad nad nüüd selgitada, miks see juhtub, vedeliku dünaamika põhivõrrandite abil, viies nad sammu lähemale mõistmisele, miks osakesed sel viisil käituvad.
Kui laboris asetatakse vedelik kahe üksteisega vastupidises suunas liikuva paralleelse plaadi vahele, muutub selle vool turbulentseks. Kuid mõne aja pärast hakkab turbulents triibulise mustrina tasandama. Selle tulemuseks on voolu nurga all kulgevate siledate ja turbulentsete joonte lõuend (kujutlege jões kerget tuule tekitatud lainet).
"Turbulentsi kaootilisest liikumisest saate struktuuri ja selge korra," ütles vanem autor Tobias Schneider, Šveitsi föderaalse tehnikainstituudi Lausanne'i tehnikakooli abiprofessor. Selline "omamoodi veider ja väga varjatud" käitumine on "teadlasi lummanud juba pikka-pikka aega".
Füüsik Richard Feynman ennustas, et seletus peab olema peidetud vedeliku dünaamika alusvõrranditesse, mida nimetatakse Navier-Stokesi võrranditeks.
Kuid neid võrrandeid on väga raske lahendada ja analüüsida, rääkis Schneider Live Science'ile. (Näita, et Navier-Stokesi võrranditel on 3D-vedeliku jaoks igas punktis sujuv lahendus) on üks miljoni dollari Millenniumi auhinna probleem.) Nii et kuni selle hetkeni ei teadnud keegi, kuidas võrrandid ennustasid seda mustrit moodustavat käitumist. Schneider ja tema meeskond kasutasid meetodikombinatsiooni, sealhulgas arvutisimulatsioone ja teoreetilisi arvutusi, et leida nendele võrranditele "väga eriliste lahenduste" komplekt, mis kirjeldaks matemaatiliselt kaose üleminekut igast järjekorrast.
Teisisõnu, nad purustasid kaootilise käitumise selle mittekaootilisteks ehitusplokkideks ja leidsid lahendused iga väikese tüki jaoks. "Käitumine, mida me jälgime, ei ole salapärane füüsika," sõnas Schneider. "See on kuidagi peidetud standardsesse võrrandisse, mis kirjeldab vedeliku voolavust."
Seda mustrit on oluline mõista, kuna see näitab, kuidas turbulentne ja rahulik, mida muidu nimetatakse "laminaarseks vooluks", konkureerivad avalduses selle lõpliku oleku kindlaksmääramiseks üksteisega. Kui see muster ilmneb, on turbulentsed ja laminaarsed voolud võrdse tugevusega - ükski külg ei võida sõda.
Kuid looduslike süsteemide puhul, näiteks õhuturbiilsus, pole seda mustrit tegelikult näha. Schneider märgib, et selline muster oleks lennuki jaoks tegelikult "päris halb", kuna see peaks lendama läbi konarlike turbulentsete ja mitte turbulentsete joonte.
Pigem oli selle katse peamine eesmärk mõista kontrollitud keskkonnas olevate vedelike põhifüüsikat, ütles ta. Ainult vedelike väga lihtsate liikumiste mõistmisel saame hakata mõistma keerulisemaid turbulentsisüsteeme, mis eksisteerivad kõikjal meie ümber, õhuvoolust lennukite ümber ja torujuhtmete sisemusse, lisas ta.
Teadlased avaldasid oma leiud 23. mail ajakirjas Nature Communications.
