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

Μετάφραση: Viktor Karras Επιμέλεια: Lucas Kaimaras

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

Βρίσκεσαι σ' ένα αεροπλάνο όταν ξαφνικά αισθάνεσαι ένα δυνατό κούνημα.

Outside your window nothing seems to be happening,

Κοιτάς από το παράθυρο και δεν φαίνεται να συμβαίνει τίποτα,

yet the plane continues to rattle you and your fellow passengers

ωστόσο το αεροπλάνο συνεχίζει να ταρακουνά εσένα και τους συνεπιβάτες σου,

as it passes through turbulent air in the atmosphere.

καθώς περνά μέσα από τυρβώδεις δίνες της ατμόσφαιρας.

Although it may not comfort you to hear it,

Αν και αυτό που θα πω δεν θα σας καθησυχάσει,

this phenomenon is one of the prevailing mysteries of physics.

το φαινόμενο αυτό είναι από τα μεγαλύτερα μυστήρια της φυσικής.

After more than a century of studying turbulence,

Μετά από πάνω από έναν αιώνα μελετών σχετικά με την τύρβη

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

εξακολουθούμε να έχουμε ελάχιστες πληροφορίες

για το πώς λειτουργεί κι επηρεάζει τον κόσμο γύρω μας.

and affects the world around us.

And yet, turbulence is ubiquitous,

Ωστόσο η τύρβη βρίσκεται παντού

springing up in virtually any system that has moving fluids.

κι εμφανίζεται σε κάθε σύστημα που έχει κινούμενα ρευστά.

That includes the airflow in your respiratory tract.

Όπως ο αέρας που διασχίζει το αναπνευστικό μας σύστημα.

The blood moving through your arteries.

Το αίμα που κυλά στις αρτηρίες μας.

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

Και ο καφές που ανακατεύουμε μέσα στην κούπα μας.

Clouds are governed by turbulence,

Η τύρβη κανονίζει την κίνηση των νεφών στον ουρανό,

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

καθώς και τα κύματα που σκάνε στην ακτή και τις ηλιακές εκλάμψεις πλάσματος.

Understanding precisely how this phenomenon works

Η κατανόηση του ακριβούς μηχανισμού λειτουργίας αυτού του φαινομένου

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

θα επηρέαζε θετικά πολλές πτυχές της ζωής μας.

Here’s what we do know.

Να λοιπόν τι γνωρίζουμε μέχρι στιγμής.

Liquids and gases usually have two types of motion:

Τα ρευστά και τα αέρια συνήθως εμφανίζουν δύο τρόπους ροής:

a laminar flow, which is stable and smooth;

Τη στρωτή ροή που είναι σταθερή και ομαλή,

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

και την τυρβώδη ροή που χαρακτηρίζεται από φαινομενικά ανοργάνωτες δίνες.

Imagine an incense stick.

Φανταστείτε τον καπνό ενός αρωματικού στικ.

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

Η στρωτή ροή του καπνού κοντά στη βάση είναι ομαλή κι εύκολα προβλέψιμη.

Closer to the top, however,

Κοντά στην κορφή, ωστόσο,

the smoke accelerates, becomes unstable,

ο καπνός επιταχύνεται και γίνεται ασταθής,

and the pattern of movement changes to something chaotic.

και η κίνησή του γίνεται κάπως χαοτική.

That’s turbulence in action,

Αυτή είναι η τυρβώδης ροή.

and turbulent flows have certain characteristics in common.

Οι ροές σαν κι αυτήν έχουν ορισμένα κοινά χαρακτηριστικά.

Firstly, turbulence is always chaotic.

Πρώτα, η τύρβη είναι πάντα χαοτική.

That’s different from being random.

Αυτό διαφέρει από το να την πούμε τυχαία

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

και σημαίνει πως η τυρβώδης ροή είναι πολύ ευαίσθητη στις αλλαγές.

A little nudge one way or the other

Μια μικρή παρέμβαση εδώ κι εκεί,

will eventually turn into completely different results.

τελικά θα επιφέρει πολύ διαφορετικά αποτελέσματα.

That makes it nearly impossible to predict what will happen,

Αυτό καθιστά την πρόβλεψή τους σχεδόν αδύνατη,

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

ακόμα κι αν έχουμε πληθώρα πληροφοριών για την παρούσα κατάσταση ενός συστήματος.

Another important characteristic of turbulence

Ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό της τύρβης

is the different scales of motion that these flows display.

είναι οι διαφορετικές κλίμακες κίνησης που εμφανίζουν αυτές οι ροές.

Turbulent flows have many differently-sized whirls called eddies,

Οι τυρβώδεις ροές αποτελούνται από πολλαπλές δίνες διαφόρων μεγεθών,

which are like vortices of different sizes and shapes.

που είναι σαν στρόβιλοι σε διάφορα μεγέθη και μορφές.

All those differently-sized eddies interact with each other,

Όλες αυτές οι δίνες αλληλοεπιδρούν μεταξύ τους

breaking up to become smaller and smaller

και διασπώνται σε ολοένα και μικρότερες δίνες,

until all that movement is transformed into heat,

έως ότου όλη αυτή η κίνηση μετατραπεί σε θερμότητα,

in a process called the “energy cascade."

σε μια διαδικασία που ονομάζεται «ενεργειακός καταρράκτης».

So that’s how we recognize turbulence–

Έτσι λοιπόν αναγνωρίζουμε την τύρβη.

but why does it happen?

Γιατί όμως συμβαίνει;

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

Σε κάθε κινούμενο ρευστό επιδρούν δύο διαφορετικές δυνάμεις.

inertia and viscosity.

Η δύναμη της αδράνειας και του ιξώδους.

Inertia is the tendency of fluids to keep moving,

Η αδράνεια είναι η τάση των υγρών και αερίων να ρέουν συνεχώς,

which causes instability.

και η οποία προκαλεί αστάθεια.

Viscosity works against disruption,

Το ιξώδες λειτουργεί κατά των διαταραχών

making the flow laminar instead.

και κάνει τη ροή στρωτή.

In thick fluids such as honey,

Σε παχύρευστα υλικά σαν το μέλι,

viscosity almost always wins.

το ιξώδες σχεδόν πάντα υπερτερεί.

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

Λιγότερο παχύρευστα υλικά, όπως το νερό και ο αέρας, τείνουν προς την αδράνεια,

which creates instabilities that develop into turbulence.

η οποία δημιουργεί αστάθεια που εξελίσσεται εντέλει σε τύρβη.

We measure where a flow falls on that spectrum

Κατηγοριοποιούμε τις ροές μέσα σ' αυτό το εύρος

with something called the Reynolds number,

με κάτι που ονομάζουμε αριθμό Ρέινολντς.

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

Είναι ο λόγος των δυνάμεων της αδράνειας μιας ροής προς το ιξώδες της.

The higher the Reynolds number,

Όσο πιο μεγάλος ο αριθμός Ρέινολντς,

the more likely it is that turbulence will occur.

τόσο περισσότερες οι πιθανότητες να εμφανιστεί τύρβη.

Honey being poured into a cup, for example,

Το μέλι π.χ. που ρέει σ' ένα ποτήρι

has a Reynolds number of about 1.

έχει αριθμό Ρέινολτς ίσο με τη μονάδα.

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

Εάν αντί για μέλι χρησιμοποιήσουμε νερό ο αριθμός αυτός γίνεται 10.000.

The Reynolds number is useful for understanding simple scenarios,

Ο αριθμός Ρέινολντς μας διευκολύνει να καταλάβουμε τα απλά σενάρια,

but it’s ineffective in many situations.

μα σε πολλές περιπτώσεις είναι αναποτελεσματικός.

For example, the motion of the atmosphere is significantly influenced

Για παράδειγμα, η κίνηση της ατμόσφαιρας επηρεάζεται σημαντικά

by factors including gravity and the earth’s rotation.

από παράγοντες όπως η βαρύτητα και η περιστροφή της Γης,

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

ακόμα και απλώς από την αντίσταση του αέρα σε κτίρια κι αυτοκίνητα.

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

Χάρη σε πειράματα ή εμπειρική γνώση μπορούμε να τα μοντελοποιήσουμε όλα αυτά.

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

Όμως οι φυσικοί προτιμούν να τα προβλέπουν με φυσικούς νόμους κι εξισώσεις,

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

όπως τα κατάφεραν με την τροχιά των πλανητών και τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία.

Most scientists think that getting there will rely on statistics

Οι περισσότεροι επιστήμονες πιστεύουν ότι θα το καταφέρουμε

με τη στατιστική και την αυξημένη υπολογιστική δύναμη.

and increased computing power.

Extremely high-speed computer simulations of turbulent flows

Μέθοδοι προσομοίωσης από τυρβώδεις ροές σε υπερταχύτατους υπολογιστές

could help us identify patterns that could lead to a theory

ίσως οδηγήσουν στην αναγνώριση μοτίβων κι έπειτα στη δημιουργία μιας θεωρίας

that organizes and unifies predictions across different situations.

που να οργανώνει και να ενοποιεί τις προβλέψεις διαφορετικών περιπτώσεων.

Other scientists think that the phenomenon is so complex

Άλλοι επιστήμονες πιστεύουν πως πρόκειται για τόσο περίπλοκο πρόβλημα,

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

που μία τόσο ολοκληρωμένη θεωρία δεν θα μπορέσει ποτέ να υπάρξει.

Hopefully we’ll reach a breakthrough,

Ευελπιστούμε τελικά να σημειώσουμε σημαντική πρόοδο,

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

γιατί η πλήρης κατανόηση της τύρβης θα έχει τρομερά ωφέλη.

That would include more efficient wind farms;

Θα οδηγήσει σε πιο αποδοτικές ανεμογεννήτριες.

the ability to better prepare for catastrophic weather events;

Θα μας βοηθήσει να προλαμβάνουμε τις καταστροφές από καιρικά φαινόμενα

or even the power to manipulate hurricanes away.

ή ίσως ακόμα και να τις ελέγχουμε.

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

Και, φυσικά, θα οδηγήσει σε πιο ήρεμες πτήσεις για εκατομμύρια επιβάτες.