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

번역: HYUNJUNG KWON 검토: Won Jang

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

당신은 갑자기 흔들거리기 시작하는 비행기 안에 있습니다.

Outside your window nothing seems to be happening,

창문 밖은 아무 일도 없는 것처럼 보이지만

yet the plane continues to rattle you and your fellow passengers

비행기는 대기 중 난기류를 통과하며

계속해서 당신과 당신 옆자리 승객을 흔들고 있죠.

as it passes through turbulent air in the atmosphere.

Although it may not comfort you to hear it,

비록 당신에게 안심이 되는 말은 아니겠지만

this phenomenon is one of the prevailing mysteries of physics.

이 현상은 물리학에서 가장 흔한 미스터리 중 하나입니다.

After more than a century of studying turbulence,

한 세기 이상 난기류에 대한 연구가 이루어진 후에야

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

우리는 난기류가 어떻게 발생하고 우리에게 어떻게 영향을 미치는지

and affects the world around us.

몇 가지 해답만을 찾아냈습니다.

And yet, turbulence is ubiquitous,

난기류는 사실상 어디에나 있을뿐더러

springing up in virtually any system that has moving fluids.

움직이는 유체가 있는 곳은 어디든 발생합니다.

That includes the airflow in your respiratory tract.

여기에는 호흡기의 기류도 포함되지요.

The blood moving through your arteries.

동맥을 움직이는 혈액이나

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

여러분이 젓고있는 잔속의 커피도 마찬가지죠.

Clouds are governed by turbulence,

구름은 난기류에 의해 움직이고

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

해안에 부딪히는 파도나 태양의 플라즈마 폭풍도 마찬가지입니다.

Understanding precisely how this phenomenon works

어떻게 이 현상이 발생하는지 정확히 이해하는 것은

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

우리 삶의 많은 모습과 관련이 있을지도 모릅니다.

Here’s what we do know.

우리가 아는 것은 아래와 같습니다.

Liquids and gases usually have two types of motion:

액체와 기체는 대게 두 타입의 움직임을 가지고 있는데

a laminar flow, which is stable and smooth;

안정되고 부드러운 층류와

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

겉보기엔 제멋대로 도는 것처럼 보이는 난류입니다.

Imagine an incense stick.

향이 피어오르는 모습을 상상해보세요.

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

하층부에서 차분히 올라가는 층류는 지속적이고 쉽게 예측할 수 있습니다.

Closer to the top, however,

그러나 상층부에 가까워질수록

the smoke accelerates, becomes unstable,

연기는 가속화되며 불안정해지고

and the pattern of movement changes to something chaotic.

움직임은 무질서한 상태로 변화합니다.

That’s turbulence in action,

이는 활동 중인 난기류 입니다.

and turbulent flows have certain characteristics in common.

난류는 일반적으로 몇가지 공통점이 있습니다.

Firstly, turbulence is always chaotic.

첫째, 난기류는 항상 무질서합니다.

That’s different from being random.

하지만 무작위로 움직이진 않죠.

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

이는 주변의 변화에 아주 민감하다는 뜻입니다.

A little nudge one way or the other

어느 쪽이든 살짝만 밀어내도

will eventually turn into completely different results.

결국엔 완전 다른 결과가 만들어질 것입니다.

That makes it nearly impossible to predict what will happen,

이러한 특성 때문에 비록 지금의 상태에 대한

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

많은 정보가 있다하더라도 앞으로의 변화를 예측 할 수 없습니다.

Another important characteristic of turbulence

난기류의 또 다른 중요한 특성은

is the different scales of motion that these flows display.

이 흐름 안에는 다양한 규모의 움직임이 나타난다는 것입니다.

Turbulent flows have many differently-sized whirls called eddies,

난류는 와류라 불리는 다양한 크기의 소용돌이를 많이 가지고 있는데

which are like vortices of different sizes and shapes.

이 소용돌이들은 크기도 모양도 모두 제각각이지요.

All those differently-sized eddies interact with each other,

다양한 크기의 이 소용돌이들은 서로 상호작용하며

breaking up to become smaller and smaller

모든 움직임이 열로 바뀔 때까지

until all that movement is transformed into heat,

점점 더 작게 분열됩니다.

in a process called the “energy cascade."

이러한 과정을 “에너지 캐스케이드” 라 부릅니다.

So that’s how we recognize turbulence–

이게 바로 우리가 난기류라고 알고있는 것입니다.

but why does it happen?

그러나 왜 이런 일이 일어날까요?

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

모든 액체나 가스의 흐름에는 반대되는 두 힘이 있는데

inertia and viscosity.

이는 바로 관성과 점성입니다.

Inertia is the tendency of fluids to keep moving,

관성은 유체가 계속 움직이려고하는 성질이며

which causes instability.

불안정함을 유발합니다.

Viscosity works against disruption,

점성은 상태를 유지하려는 성질로써

making the flow laminar instead.

층류를 만듭니다.

In thick fluids such as honey,

꿀과 같은 두꺼운 유체에서는

viscosity almost always wins.

거의 항상 점성이 우세합니다.

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

물이나 공기같이 점도가 낮은 물질에는 관성이 더 쉽게 작용하여

which creates instabilities that develop into turbulence.

난기류로 발전되는 불안정성을 만들어냅니다.

We measure where a flow falls on that spectrum

어떤 흐름이 이 두 힘사이 스펙트럼의 어디에 있는지 표시 하기 위해

with something called the Reynolds number,

레이놀즈수라는 것을 사용합니다.

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

레이놀즈수는 흐름의 관성과 점성 사이의 비율입니다.

The higher the Reynolds number,

레이놀즈수가 높아질수록

the more likely it is that turbulence will occur.

난기류가 발생할 가능성이 커집니다.

Honey being poured into a cup, for example,

예를 들어 컵 안에 꿀을 쏟는 것은

has a Reynolds number of about 1.

대략 레이놀즈수 1을 가지게 됩니다.

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

물은 10,000에 가까운 레이놀즈수를 가집니다.

The Reynolds number is useful for understanding simple scenarios,

레이놀즈수는 간단한 시나리오를 이해하는 데 유용하지만

but it’s ineffective in many situations.

다른 많은 상황에서는 비효율적입니다.

For example, the motion of the atmosphere is significantly influenced

예를 들면 대기의 움직임은

중력과 자전 같은 요인에 중요하게 영향을 받습니다.

by factors including gravity and the earth’s rotation.

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

빌딩과 자동차에 대한 저항력같은 상대적으로 간단한 것도 마찬가지입니다.

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

많은 실험과 경험 덕분에 이들을 시뮬레이션해 볼 수 있지요.

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

그러나 물리학자들은 물리학 법칙과 방정식을 통해

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

행성의 궤도나 전자기장처럼 이를 예측할 수 있기를 바랍니다.

Most scientists think that getting there will rely on statistics

대부분의 과학자는 통계자료와

and increased computing power.

컴퓨팅 능력에 의지해야 한다고 생각합니다.

Extremely high-speed computer simulations of turbulent flows

난류에 대한 초스피드 컴퓨터 시뮬레이션은

could help us identify patterns that could lead to a theory

우리가 패턴들을 발견하고 하나의 이론을 정립하여

that organizes and unifies predictions across different situations.

다른 여러 상황에 대한 예측을 정리하고 통합하는데에 도움이 됩니다.

Other scientists think that the phenomenon is so complex

다른 과학자들은 그 현상은 너무 복잡해서

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

완벽한 이론 같은 것은 불가능할 거라고 생각합니다.

Hopefully we’ll reach a breakthrough,

하지만 결국 우리는 돌파구에 도달할 것입니다.

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

난기류에 대한 진실을 이해하면 많은 이익을 얻을 수 있기 때문입니다.

That would include more efficient wind farms;

여기에는 더 효율적인 풍력발전

the ability to better prepare for catastrophic weather events;

치명적인 기후 상태에 대해 더 준비할 수 있는 능력

or even the power to manipulate hurricanes away.

또는 허리케인을 다룰 수 있는 능력도 포함됩니다.

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

물론, 수많은 비행기 승객들을 위한 안락한 비행을 위해서도 필요하죠.