A turbulência, um movimento de fluido caracterizado por mudanças caóticas na velocidade e pressão do fluxo, tem sido tema de inúmeros estudos físicos. Embora a turbulência seja um fenômeno muito comum que ocorre na natureza, manipulá-la e controlar suas propriedades até agora provou ser incrivelmente desafiador.
Pesquisadores da Universidade de Chicago introduziram recentemente uma nova estratégia para controlar de forma confiável a localização, a posição e as propriedades da turbulência em ambientes experimentais. Essa estratégia, apresentada em um artigo publicado na Nature Physics, permitiu que eles criassem uma bolha turbulenta isolada em um ambiente calmo.
“A turbulência pode ser encontrada em todos os lugares. Mexer o café com uma colher é um bom exemplo”, disseram Takumi Matsuzawa (primeiro autor do estudo) e William Irvine (autor correspondente do estudo), à Phys.org. “No entanto, manipular essa fase efêmera da matéria não é tão fácil quanto a outra fase convencional da matéria, como sólido e líquido. Em muitos casos, os limites materiais, como a colher no exemplo anterior, obscurecem o que a turbulência foi alimentada. Isso nos levou a questionar se é possível criar uma bolha isolada de turbulência e mantê-la no lugar.”
Como parte de seu estudo recente, Irvine e seus colegas decidiram criar um estado confinado de turbulência dentro de um ambiente quiescente, o que exigiria o controle preciso das propriedades da turbulência. A criação bem-sucedida de uma bolha tão isolada pode abrir novos caminhos interessantes para a pesquisa, permitindo que os físicos explorem questões que têm sido difíceis de responder usando métodos experimentais tradicionais.
“Algumas das questões que podem ser exploradas após nosso estudo incluem: o que acontece na interface de fluxos turbulentos e não turbulentos? Como as quantidades conservadas, como energia e impulso, são transportadas através da interface? Existem diferentes tipos de turbulência dependendo do combinações de quantidades conservadas?” Irvine e Matsuzawa disseram.
Muitos livros de física e trabalhos teóricos descrevem a turbulência como uma sopa de movimentos circulares conhecidos como “redemoinhos”. Embora as características únicas dos redemoinhos permaneçam bastante evasivas, elas são essencialmente movimentos em um fluido que se desviam de seu fluxo geral, como correntes circulares ou vórtices.
“Nossa abordagem proposta envolve a construção de turbulência colocando redemoinhos um de cada vez, como Legos”, explicou Irvine. “Ninguém sabe realmente o que é um redemoinho, mas um anel de vórtice, também conhecido como anel de fumaça, é um bom candidato, pois é uma estrutura fluida robusta e pode viajar para longe dos limites materiais. Além disso, suas propriedades podem ser totalmente medidas, então podemos sabemos o que alimentamos na turbulência.”
Em seus experimentos, Matsuzawa combinou conjuntos de oito anéis de vórtice em uma câmara, disparando-os em direção ao centro de um tanque cúbico cheio de água a partir dos oito cantos. Se esses anéis de vórtice fossem disparados como um único conjunto, eles se dividiriam e redirecionariam, devido a um efeito conhecido como reconexão de vórtice. Dispará-los repetidamente, no entanto, conforme executado pelos pesquisadores, leva à formação de uma bolha isolada de turbulência.
“Nossa abordagem fornece princípios de design exclusivos para localizar, posicionar e controlar a turbulência”, disse Irvine. “As propriedades da bolha são definidas pelas dos anéis de vórtice; o tamanho é definido pelo raio do anel; a intensidade turbulenta interna é definida pela energia transportada pelos anéis. Se combinarmos loops helicoidais, também poderíamos injetar o outro conservado quantidades como impulso angular e helicidade, cujos papéis na turbulência não são bem conhecidos.”
O trabalho recente desta equipe de pesquisadores contribui muito para o estudo da turbulência, introduzindo uma estratégia promissora para controlá-la de forma confiável experimentalmente. No futuro, a estratégia apresentada em seu artigo pode abrir caminho para novos estudos que antes seriam difíceis de realizar. Isso, por sua vez, poderia ajudar a responder a questões de pesquisa de longa data relacionadas aos processos físicos que sustentam a turbulência.
“Atualmente, estamos investigando como a turbulência evolui livremente em um ambiente inativo”, acrescentou Irvine. “Esta é uma questão importante sobre como as flutuações turbulentas se espalham e desaparecem. Também estamos interessados em estudar como a turbulência ‘esquece’ o que foi alimentado. Acredita-se que a turbulência seja universal em pequenas escalas, mesmo que as estruturas de vórtice na entrada são diferentes. Nosso sistema seria ideal para estudar essa memória em turbulência ajustando a entrada combinando vários loops de vórtice.”
Publicado em 23/06/2023 05h31
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