Turbulence: One of the great unsolved mysteries of physics - Tomás Chor

المترجم: Imad Aldoj المدقّق: Sarah Wesam

You’re on an airplane when you feel a sudden jolt.

تخيّل أنّك على متن طائرة، وفجأةً تشعر باهتزاز.

Outside your window nothing seems to be happening,

ومع ذلك عندما تنظر خارج النافذة لا ترى أي شيء يحدث،

yet the plane continues to rattle you and your fellow passengers

لكنّ الطائرة ما زالت تهتزّ بك وببقية المسافرين

as it passes through turbulent air in the atmosphere.

لأنها تمرّ عبر مطبٍ هوائيٍّ في الجو.

Although it may not comfort you to hear it,

رغم أن سماعها لا يشعرك بالطمأنينة،

this phenomenon is one of the prevailing mysteries of physics.

لكنّ هذه الظّاهرة تعدُّ من أكثر ألغاز الفيزياء شيوعاً.

After more than a century of studying turbulence,

فبعد دراسة المطبّات الجويّة لأكثر من قرن،

we’ve only come up with a few answers for how it works

توصلنا إلى بعض الإجابات حول آليّة عملها

and affects the world around us.

وكيف تؤثّر على العالم من حولنا.

And yet, turbulence is ubiquitous,

مع أنّ هذه الاضطرابات هي أمرٌ شائع،

springing up in virtually any system that has moving fluids.

فهي تظهر في أي نظامٍ يحوي موائع متحرّكة.

That includes the airflow in your respiratory tract.

ويشمل ذلك تدفق الهواء في جهازك التّنفسيّ،

The blood moving through your arteries.

وتدفّق الدّم في أوعيتك الدّمويّة،

And the coffee in your cup, as you stir it.

والقهوة التي تحرّكها في الفنجان.

Clouds are governed by turbulence,

حتى الغيوم تخضع للاضطرابات،

as are waves crashing along the shore and the gusts of plasma in our sun.

وكذلك الأمواج التي تنكسر على الشّاطئ وعواصف البلازما في شمسنا.

Understanding precisely how this phenomenon works

إنّ استيعاب آليّة عمل هذه الظّاهرة

would have a bearing on so many aspects of our lives.

سينعكس على جوانب عديدة في حياتنا.

Here’s what we do know.

إليك ما نعرفه حتى الآن،

Liquids and gases usually have two types of motion:

لدى الغازات والسّوائل نوعان من الحركة عادةً:

a laminar flow, which is stable and smooth;

الجريان الصّفيحيّ ويتميّز بالاستقرار والسلاسة،

and a turbulent flow, which is composed of seemingly unorganized swirls.

والجريان المضطرب والذي يتشكّل من دواماتٍ عشوائيّة لحد ما.

Imagine an incense stick.

تخيّل عوداً من البخّور،

The laminar flow of unruffled smoke at the base is steady and easy to predict.

الجربان الصّفائحيّ للدخان الأملس في الأسفل يكون منتظماً وسهل التّنبأ،

Closer to the top, however,

لكن كلما اتّجهنا نحو الأعلى،

the smoke accelerates, becomes unstable,

يبدأ الدّخان في التّسارع ويفقد استقراره،

and the pattern of movement changes to something chaotic.

ويصبح نمط الحركة أشبه بالفوضى.

That’s turbulence in action,

هذا كان مثالاً عمليّاً عن المطبّ الهوائيّ،

and turbulent flows have certain characteristics in common.

وتشترك الجريانات المضطربة عموماً بخصائص معيّنة.

Firstly, turbulence is always chaotic.

أولاً: الاضطراب يكون دوماً فوضويّاً.

That’s different from being random.

وهذا أمرٌ مختلفٌ عن العشوائيّة.

Rather, this means that turbulence is very sensitive to disruptions.

لكن يعني عوضاً عن ذلك بأن الاضطراب حسّاسٌ جداً لأيّ تدخّل.

A little nudge one way or the other

دفعةٌ صغيرةٌ من أيّ اتجاهٍ كان

will eventually turn into completely different results.

ستغيّر النّاتج النّهائيّ تماماً.

That makes it nearly impossible to predict what will happen,

وهو ما يجعل التّنبأ بما سيحدث مستحيلاً،

even with a lot of information about the current state of a system.

حتى لو توافرت لدينا معلوماتٌ كثيرةٌ عن الوضع الحاليّ للنظام.

Another important characteristic of turbulence

سمة أخرى هامة عن الاضطراب

is the different scales of motion that these flows display.

هي اختلاف مقاييس الحركة التي تظهرها هذه التّيارات.

Turbulent flows have many differently-sized whirls called eddies,

لدى التدفقات المضطربة العديد من الالتفافات من مختلف الأحجام ويطلق عليها الدّوامات،

which are like vortices of different sizes and shapes.

وهي دوّاماتٌ من مختلف الأشكال والأحجام.

All those differently-sized eddies interact with each other,

وجميع هذه الدّوّامات ذات الأحجام المتنوعة تتفاعل مع بعضها البعض،

breaking up to become smaller and smaller

وتتفكّك لتصبح أصغر فأصغر

until all that movement is transformed into heat,

إلى أن تتحول الحركة بأكملها إلى طاقةٍ حراريّةٍ،

in a process called the “energy cascade."

في عمليّة تسمى "سلسلة الطّاقة".

So that’s how we recognize turbulence–

وبهذا نستطيع تمييز الاضطراب،

but why does it happen?

لكن ما الذي يؤدّي لحدوثه؟

In every flowing liquid or gas there are two opposing forces:

لكلّ سائلٍ متحرّكٍ أو غازٍ هناك طاقتان متعاكستان:

inertia and viscosity.

القصور الذاتي والّلزوجة.

Inertia is the tendency of fluids to keep moving,

القصور الذاتي هو قابليّة السوائل للاستمرار بالحركة،

which causes instability.

وهي ما يسبّب عدم الاستقرار.

Viscosity works against disruption,

أما الّلزوجة فهي تعاكس التّفكّك

making the flow laminar instead.

دافعةً التّيار ليكون صفيّحيّاً.

In thick fluids such as honey,

في السّوائل الكثيفة كالعسل مثلاً،

viscosity almost always wins.

تكون الكفّة دائماً من نصيب الّلزوجة.

Less viscous substances like water or air are more prone to inertia,

أما في المواد الأقل لزوجةً كالماء والهواء فهي تميل أكثر للعطالة،

which creates instabilities that develop into turbulence.

وهو ما يعزّز الاختلال والذي يتطوّر بدوره إلى اضطراب.

We measure where a flow falls on that spectrum

نقوم بحساب موقع الجريان في سلسلة الطّاقة

with something called the Reynolds number,

باستخدام شيء يدعى "رقم رينولد"،

which is the ratio between a flow’s inertia and its viscosity.

وهي النّسبة بين عطالة الجريان ولزوجته.

The higher the Reynolds number,

كلما ارتفع رقم رينولد،

the more likely it is that turbulence will occur.

كلّما زاد احتمال حدوث الاضطراب.

Honey being poured into a cup, for example,

فمثلاً صبّ العسل في كأس

has a Reynolds number of about 1.

تصل قيمة رينولد الخاصّة به ل1 تقريباً.

The same set up with water has a Reynolds number that’s closer to 10,000.

وبالمقابل فإن العيّنة نفسها من الماء تتمتّع بقيمة رينولد تصل إلى 10,000.

The Reynolds number is useful for understanding simple scenarios,

تساعد قيمة رينولد على فهم السّيناريوهات البسيطة،

but it’s ineffective in many situations.

لكنّها للأسف غير فعالة في العديد من الحالات.

For example, the motion of the atmosphere is significantly influenced

على سبيل المثال فإنّ حركة الجو تتأثّر بشدّةٍ

by factors including gravity and the earth’s rotation.

بعوامل كالجاذبيّة ودوران الأرض.

Or take relatively simple things like the drag on buildings and cars.

أو أشياء أبسط نوعاً ما كالاحتكاك بأسطح الأبنية والسّيّارات.

We can model those thanks to many experiments and empirical evidence.

وبفضل الأدلّة والتّجارب العمليّة أصبح بإمكاننا نمذجة هذه الحوادث.

But physicists want to be able to predict them through physical laws and equations

لكن يسعى علماء الفيزياء للتّنبأ بها باستخدام قوانين ومعادلاتٍ فيزيائيّة

as well as we can model the orbits of planets or electromagnetic fields.

تماماً كما نقوم بنمذجة مدارات الكواكب أو المجالات الكهرومغناطيسيّة.

Most scientists think that getting there will rely on statistics

يعتقد معظم العلماء أننا سنحقّق هذا بالاعتماد على الإحصائيّات

and increased computing power.

والقدرات الحاسوبيّة المتزايدة.

Extremely high-speed computer simulations of turbulent flows

حيث يمكن لعمليّات محاكاةٍ الكمبيوتر فائقة السرعة للجريان المضطرب

could help us identify patterns that could lead to a theory

أن تساعدنا في التّعرف على أنماط يمكن أن تقود لنظريّة

that organizes and unifies predictions across different situations.

والتي ستجمع وتنظّم توقعاتنا في مختلف الحالات.

Other scientists think that the phenomenon is so complex

بينما يعتقد علماءٌ آخرون أن الظّاهرة معقّدةٌ جداً

that such a full-fledged theory isn’t ever going to be possible.

مما يجعل وجود نظريّةٍ واحدةٍ متكاملة كهذه أمراً مستحيلاً.

Hopefully we’ll reach a breakthrough,

لكنّنا نأمل أن نصل إلى اكتشافٍ جديدٍ،

because a true understanding of turbulence could have huge positive impacts.

ﻷن الفهم التّام للاضطرابات سيكون له تأثيرٌٌ إيجابيٌّ عظيم.

That would include more efficient wind farms;

وهذا يشمل مزارع رياحٍ أكثر كفاءةً،

the ability to better prepare for catastrophic weather events;

والقدرة على الاستعداد بشكلٍ أفضل للكوارث الجويّة،

or even the power to manipulate hurricanes away.

أو حتى القدرة على التّلاعب بالأعاصير وتجنّبها.

And, of course, smoother rides for millions of airline passengers.

وبالطبع رحلات أكثر سلاسةً لملايين المسافرين جوّاً.

(صوت أزيز)