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

תרגום: Ido Dekkers עריכה: Allon Sasson

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

אתם במטוס כשאתם מרגישים טלטול פתאומי.

Outside your window nothing seems to be happening,

מחוץ לחלון לא נראה שמשהו מתרחש,

yet the plane continues to rattle you and your fellow passengers

ועדיין המטוס ממשיך לטלטל אתכם ואת שאר הנוסעים

as it passes through turbulent air in the atmosphere.

כשהוא עובר דרך מערבולת אויר באטמוספירה.

Although it may not comfort you to hear it,

למרות שזה לא ינחם אתכם לשמוע,

this phenomenon is one of the prevailing mysteries of physics.

התופעה היא אחת מהתעלומות המתמשכות בפיזיקה.

After more than a century of studying turbulence,

אחרי יותר ממאה שנה של חקר מערבולות,

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

העלנו רק מספר קטן של תשובות לאיך הן עובדות

and affects the world around us.

ומשפיעות על העולם סביבנו.

And yet, turbulence is ubiquitous,

ועדיין, מערבולות מאוד נפוצות,

springing up in virtually any system that has moving fluids.

ומופיעות כמעט בכל מערכת שיש בה נוזלים נעים.

That includes the airflow in your respiratory tract.

זה כולל את הזרימה במערכת הנשימה שלכם.

The blood moving through your arteries.

הדם שנע דרך העורקים שלכם.

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

והקפה בכוס שלכם, כשאתם מערבבים אותו.

Clouds are governed by turbulence,

עננים נשלטים על ידי מערבולות,

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

כמו גם גלים שמתרסקים לאורך החוף ומשבי הפלאזמה בשמש שלנו.

Understanding precisely how this phenomenon works

הבנה בדיוק איך התופעה הזו עובדת

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

תתן כיוון לכל כך הרבה פנים בחיינו.

Here’s what we do know.

הנה מה שאנחנו יודעים.

Liquids and gases usually have two types of motion:

לנוזלים וגזים יש בדרך כלל שני סוגי תנועה:

a laminar flow, which is stable and smooth;

זרימה למינרית, שהיא יציבה וחלקה;

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

וזרימה מערבולתית, שמורכבת ממערבולות שנראות לא מאורגנות.

Imagine an incense stick.

דמיינו מקל קטורת.

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

הזרימה הלמינרית של עשן לא מופרע בבסיס היא קבועה וקלה לחיזוי.

Closer to the top, however,

קרוב יותר לחלק העליון עם זאת,

the smoke accelerates, becomes unstable,

העשן מאיץ, הופך ללא יציב,

and the pattern of movement changes to something chaotic.

ותבנית התנועה משתנה למשהו כאוטי.

That’s turbulence in action,

זו מערבולת בפעולה,

and turbulent flows have certain characteristics in common.

ולזרמים מערבלותיים יש מספר תכונות במשותף.

Firstly, turbulence is always chaotic.

ראשית, מערבולת היא תמיד כאוטית.

That’s different from being random.

זה שונה מלהיות אקראי.

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

במקום, זה אומר שמערבולת מאוד רגישה להפרעות.

A little nudge one way or the other

דחיפה קלה לכיוון כלשהו

will eventually turn into completely different results.

תיתן לבסוף תוצאה שונה לגמרי.

That makes it nearly impossible to predict what will happen,

זה הופך את זה לכמעט בלתי אפשרי לחזות מה יקרה,

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

אפילו עם הרבה מידע בנוגע למצב הנוכחי של המערכת.

Another important characteristic of turbulence

תכונה חשובה נוספת של מערבולת

is the different scales of motion that these flows display.

היא קני המידה השונים של התנועה שהזרמים האלה מציגים.

Turbulent flows have many differently-sized whirls called eddies,

לזרמים מערבולתיים יש הרבה גדלים שונים של מערבולות,

which are like vortices of different sizes and shapes.

שהן כמו מערבולות בגדלים וצורות שונות.

All those differently-sized eddies interact with each other,

כל המערבולות בגדלים שונים האלו משפיעות אחת על השניה,

breaking up to become smaller and smaller

נשברות והופכות לקטנות יותר ויותר

until all that movement is transformed into heat,

עד שהתנועה הזו הופכת לחום,

in a process called the “energy cascade."

בתהליך שנקרא "מפל אנרגיה."

So that’s how we recognize turbulence–

אז כך אנחנו מזהים מערבולות --

but why does it happen?

אבל למה הן מתרחשות?

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

בכל נוזל זורם או גז יש שני כוחות מנוגדים:

inertia and viscosity.

אינרציה וצמיגות.

Inertia is the tendency of fluids to keep moving,

אינרציה היא הנטיה של נוזלים להמשיך לנוע,

which causes instability.

מה שגורם לחוסר יציבות.

Viscosity works against disruption,

צמיגות עובדת נגד ההפרעה,

making the flow laminar instead.

מה שהופך את הזרימה ללמינרית במקום.

In thick fluids such as honey,

בנוזלים סמיכים כמו דבש,

viscosity almost always wins.

צמיגות כמעט תמיד מנצחת.

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

חומרים פחות סמיכים כמו מים או אויר יותר מועדים לאינרציה,

which creates instabilities that develop into turbulence.

מה שיוצר חוסר יציבות שמתפתחת למערבולת.

We measure where a flow falls on that spectrum

אנחנו מודדים לאן נוזל מתאים במנעד הזה

with something called the Reynolds number,

עם משהו שנקרא מספר ריינולדס.

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

שהוא היחס בין האינרציה של זרימה והצמיגות שלה.

The higher the Reynolds number,

ככל שמספר ריינולדס גבוה יותר,

the more likely it is that turbulence will occur.

יש סבירות גבוהה יותר שמערבולות יתרחשו.

Honey being poured into a cup, for example,

לדבש שנשפך לתוך כוס, לדוגמה,

has a Reynolds number of about 1.

יש מספר ריינולדס של בערך 1.

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

אותו מצב עם מים נותן מספר ריינולדס קרוב יותר ל 10,000.

The Reynolds number is useful for understanding simple scenarios,

מספר ריינולדס מועיל להבנת תרחישים פשוטים,

but it’s ineffective in many situations.

אבל הוא לא אפקטיבי בהרבה מצבים.

For example, the motion of the atmosphere is significantly influenced

לדוגמה, התנועה של האטמוספירה מושפעת משמעותית

by factors including gravity and the earth’s rotation.

על ידי גורמים שכוללים כבידה וסיבוב כדור הארץ.

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

או קחו דברים פשוטים יחסית כמו גרר על בניינים ומכוניות.

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

אנחנו יכולים למדל את אלה תודות להרבה ניסויים ועדויות אמפיריות.

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

אבל פיזיקאים רוצים להיות מסגלים לחזות אותם דרך חוקים פיזיקלים ומשוואות

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

כמו שאנחנו יכולים למדל את המסלולים של פלנטות או שדות אלקטרומגטיים.

Most scientists think that getting there will rely on statistics

רוב המדענים חושבים שלהגיע לשם יצריך הסתמכות על סטטיסטיקה

and increased computing power.

וכוח מחשוב גדול יותר.

Extremely high-speed computer simulations of turbulent flows

סימולציות במחשבים ממש מהירים של זרמים מערבולתיים

could help us identify patterns that could lead to a theory

יכולים לעזור לנו לזהות תבניות שיכולות להוביל לתאוריה

that organizes and unifies predictions across different situations.

שמארגנת ומאחדת תחזיות לרוחב מצבים שונים.

Other scientists think that the phenomenon is so complex

מדענים אחרים חושבים שהתופעה כה מורכבת

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

שתאוריות מקיפות כאלו לעולם לא יהיו אפשריות.

Hopefully we’ll reach a breakthrough,

אנו מקווים להגיע לפריצת דרך,

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

בגלל שלהבנה אמיתית של מערבולות יוכלו להיות השפעות חיוביות אדירות.

That would include more efficient wind farms;

זה יכלול חוות רוח יעילות יותר;

the ability to better prepare for catastrophic weather events;

היכולת להתכונן טוב יותר לארועי מזג אויר קטסטרופליים;

or even the power to manipulate hurricanes away.

או אפילו הכוח להשפיע על הוריקנים ולהרחיק אותם.

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

וכמובן, טיסות חלקות יותר למליוני נוסעים במטוסים.