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

Tłumaczenie: Magdalena Bojarczuk Korekta: Marta Grochowalska

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

Jesteś na pokładzie samolotu, kiedy nagle odczuwasz wstrząs.

Outside your window nothing seems to be happening,

Za oknem niby nic się nie dzieje,

yet the plane continues to rattle you and your fellow passengers

lecz samolot wciąż wstrząsa tobą i resztą pasażerów,

as it passes through turbulent air in the atmosphere.

poruszając się przez niespokojne powietrze atmosferyczne.

Although it may not comfort you to hear it,

Mimo że to, co zaraz usłyszysz, niekoniecznie cię uspokoi,

this phenomenon is one of the prevailing mysteries of physics.

zjawisko to stanowi jedną z największych tajemnic fizyki.

After more than a century of studying turbulence,

Po ponad wieku badań wpadliśmy

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

tylko na kilka wyjaśnień tego, co się dzieje podczas turbulencji

and affects the world around us.

i jak wpływa na otaczający nas świat.

And yet, turbulence is ubiquitous,

Turbulencje są powszechne

springing up in virtually any system that has moving fluids.

i powstają prawie w każdym układzie zawierającym poruszające się płyny,

That includes the airflow in your respiratory tract.

jak ruch powietrza w drogach oddechowych,

The blood moving through your arteries.

krew płynąca przez tętnice.

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

A także kawa, którą mieszasz w filiżance.

Clouds are governed by turbulence,

Chmury podlegają turbulencjom,

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

tak jak fale rozbijające się o brzeg i strumienie plazmy na Słońcu.

Understanding precisely how this phenomenon works

Dokładne zrozumienie tego zjawiska

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

wpłynęłoby na wiele aspektów naszego życia.

Here’s what we do know.

Oto, co wiemy.

Liquids and gases usually have two types of motion:

Ciecze i gazy zwykle poruszają się na dwa sposoby:

a laminar flow, which is stable and smooth;

laminarny, który przebiega bez zakłóceń,

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

oraz turbulentny, z pozornie chaotycznymi wirami.

Imagine an incense stick.

Wyobraź sobie kadzidełko.

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

Przepływ laminarny dymu na początku jest stały i przewidywalny,

Closer to the top, however,

ale wyżej

the smoke accelerates, becomes unstable,

dym przyspiesza, staje się niestabilny,

and the pattern of movement changes to something chaotic.

schemat ruchu zamienia się w chaos.

That’s turbulence in action,

Tak wygląda turbulencja,

and turbulent flows have certain characteristics in common.

a wszystkie przepływy turbulentne mają pewne cechy wspólne.

Firstly, turbulence is always chaotic.

Po pierwsze, turbulencja jest zawsze chaotyczna.

That’s different from being random.

To nie znaczy, że jest przypadkowa.

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

Oznacza to raczej, że turbulencja jest bardzo wrażliwa na zakłócenia.

A little nudge one way or the other

Malutka ingerencja w jednym lub drugim kierunku

will eventually turn into completely different results.

doprowadzi ostatecznie do całkowicie odmiennych skutków.

That makes it nearly impossible to predict what will happen,

To prawie uniemożliwia przewidywanie, co się stanie,

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

nawet z mnóstwem informacji o aktualnym stanie układu.

Another important characteristic of turbulence

Inną ważną cechą turbulencji

is the different scales of motion that these flows display.

są różne skale ruchu wykazywane przez przepływ.

Turbulent flows have many differently-sized whirls called eddies,

Przepływy turbulentne mają wiele wirów różnych wielkości,

which are like vortices of different sizes and shapes.

które tworzą skupiska o różnych kształtach i rozmiarach.

All those differently-sized eddies interact with each other,

Wszystkie te wiry oddziałują na siebie,

breaking up to become smaller and smaller

rozbijając się na coraz mniejsze wiry,

until all that movement is transformed into heat,

aż cały ten ruch zostanie zamieniony w ciepło

in a process called the “energy cascade."

w procesie nazywanym kaskadą energii.

So that’s how we recognize turbulence–

Tak stwierdzamy turbulencje,

but why does it happen?

ale czemu w ogóle do nich dochodzi?

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

W każdej przepływającej cieczy lub gazie działają dwie przeciwstawne siły:

inertia and viscosity.

inercja i lepkość.

Inertia is the tendency of fluids to keep moving,

Inercja to tendencja płynów do poruszania się,

which causes instability.

co powoduje niestabilność.

Viscosity works against disruption,

Lepkość zapobiega zaburzeniom,

making the flow laminar instead.

zmieniając przepływ na laminarny.

In thick fluids such as honey,

W gęstych płynach takich jak miód,

viscosity almost always wins.

prawie zawsze wygrywa lepkość.

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

Mniej lepkie woda czy powietrze są bardziej podatne na bezwładność,

which creates instabilities that develop into turbulence.

która powoduje niestabilność rozwijającą się w turbulencję.

We measure where a flow falls on that spectrum

Mierzymy, w którym miejscu spektrum znajduje się przepływ,

with something called the Reynolds number,

posługując się liczbą Reynoldsa,

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

czyli stosunkiem między inercją a lepkością przepływu.

The higher the Reynolds number,

Im wyższa liczba Reynoldsa,

the more likely it is that turbulence will occur.

tym większe prawdopodobieństwo wystąpienia turbulencji.

Honey being poured into a cup, for example,

Na przykład miód wlany do kubka

has a Reynolds number of about 1.

ma liczbę Reynoldsa wynoszącą około 1.

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

Ten sam układ, ale z wodą, ma liczbę Reynoldsa bliższą 10 000.

The Reynolds number is useful for understanding simple scenarios,

Liczba Reynoldsa pomaga przy prostych scenariuszach,

but it’s ineffective in many situations.

lecz w wielu sytuacjach jest nieprzydatna.

For example, the motion of the atmosphere is significantly influenced

Przykładowo, na ruch w atmosferze w znacznej mierze wpływa

by factors including gravity and the earth’s rotation.

grawitacja i ruch obrotowy Ziemi.

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

Albo weźmy stosunkowo proste rzeczy, jak opór działający na budynki czy auta.

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

Możemy to przedstawić dzięki wielu eksperymentom i dowodom doświadczalnym.

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

Ale fizycy chcą je przewidywać za pomocą praw i równań fizycznych

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

tak samo jak orbity planet czy pola elektromagnetyczne.

Most scientists think that getting there will rely on statistics

Większość naukowców uważa, że będzie to możliwe dzięki statystyce

and increased computing power.

oraz zwiększonej mocy obliczeniowej.

Extremely high-speed computer simulations of turbulent flows

Niezwykle szybkie symulacje komputerowe przepływów turbulentnych

could help us identify patterns that could lead to a theory

mogą pomóc zidentyfikować schematy prowadzące do teorii

that organizes and unifies predictions across different situations.

organizującej i ujednolicającej przewidywania w różnych sytuacjach.

Other scientists think that the phenomenon is so complex

Inni naukowcy myślą, że zjawisko to jest tak złożone,

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

że tak daleko idąca teoria nigdy nie powstanie.

Hopefully we’ll reach a breakthrough,

Miejmy nadzieję, że dojdziemy do przełomu,

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

bo pełne zrozumienie turbulencji może mieć wiele pozytywnych skutków

That would include more efficient wind farms;

jak budowa wydajniejszych elektrowni wiatrowych,

the ability to better prepare for catastrophic weather events;

możliwość lepszego przygotowania na kryzysowe sytuacje pogodowe

or even the power to manipulate hurricanes away.

czy nawet umiejętność odpędzania huraganów.

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

I oczywiście, spokojniejsze loty milionów pasażerów linii lotniczych.