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

Tradutor: Margarida Ferreira Revisora: Mafalda Ferreira

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

Estamos num avião e, de repente, sentimos um abanão.

Outside your window nothing seems to be happening,

Pela janela. parece que nada acontece lá fora,

yet the plane continues to rattle you and your fellow passengers

mas o avião continua a sacudir todos os passageiros

as it passes through turbulent air in the atmosphere.

enquanto passa por uma turbulência na atmosfera.

Although it may not comfort you to hear it,

Embora isto possa não nos tranquilizar,

this phenomenon is one of the prevailing mysteries of physics.

este fenómeno é um dos grandes mistérios da Física.

After more than a century of studying turbulence,

Depois de mais de cem anos a estudar a turbulência

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

só conseguimos arranjar algumas respostas para o seu funcionamento

and affects the world around us.

e a forma como afeta o mundo à nossa volta.

And yet, turbulence is ubiquitous,

Mas a turbulência existe em toda a parte,

springing up in virtually any system that has moving fluids.

surgindo praticamente em qualquer sistema que tenha fluidos em movimento.

That includes the airflow in your respiratory tract.

Isso inclui o fluxo de ar no nosso trato respiratório;

The blood moving through your arteries.

o sangue que se move pelas nossas artérias;

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

e o café na chávena, quando o mexemos.

Clouds are governed by turbulence,

As nuvens são governadas por turbulência,

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

assim como as ondas que rebentam na praia

e as rajadas de plasma no Sol.

Understanding precisely how this phenomenon works

Perceber exatamente como funciona este fenómeno

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

teria influência em muitos aspetos da nossa vida.

Here’s what we do know.

Mas só sabemos isto.

Liquids and gases usually have two types of motion:

Os líquidos e os gases têm habitualmente dois tipos de movimento:

a laminar flow, which is stable and smooth;

um fluxo laminar, que é estável e suave;

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

e um fluxo turbulento,

que é formado por redemoinhos aparentemente desorganizados.

Imagine an incense stick.

Imaginem um pau de incenso.

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

O fluxo laminar de fumo tranquilo na base é contínuo e fácil de prever.

Closer to the top, however,

Mas, mais perto do topo,

the smoke accelerates, becomes unstable,

o fumo acelera, torna-se instável

and the pattern of movement changes to something chaotic.

e o padrão do movimento muda para uma coisa caótica.

That’s turbulence in action,

É a turbulência em ação.

and turbulent flows have certain characteristics in common.

Os fluxos turbulentos têm certas características em comum.

Firstly, turbulence is always chaotic.

Primeiro, a turbulência é sempre caótica.

That’s different from being random.

É uma coisa diferente de ser aleatória.

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

Pelo contrário, isto significa

que a turbulência é muito sensível a perturbações.

A little nudge one way or the other

Um pequeno toque, deste ou daquele modo,

will eventually turn into completely different results.

acabará por ter resultados totalmente diferentes.

That makes it nearly impossible to predict what will happen,

Isso torna quase impossível prever o que vai acontecer,

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

mesmo com muitas informações sobre o estado atual de um sistema.

Another important characteristic of turbulence

Outra característica importante da turbulência

is the different scales of motion that these flows display.

são as diferentes escalas de movimento que estes fluxos exibem.

Turbulent flows have many differently-sized whirls called eddies,

Os fluxos turbulentos têm redemoinhos de muitas dimensões diferentes

chamados turbilhões

which are like vortices of different sizes and shapes.

que são como vórtices de diferentes tamanhos e formas.

All those differently-sized eddies interact with each other,

Todos esses turbilhões de diferentes tamanhos, interagem uns com os outros,

breaking up to become smaller and smaller

tornando-se cada vez mais pequenos

until all that movement is transformed into heat,

até todo o movimento se transformar em calor

in a process called the “energy cascade."

num processo chamado a "cascata de energia".

So that’s how we recognize turbulence–

É assim que reconhecemos a turbulência

but why does it happen?

— mas porque é que ela acontece?

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

Em todos os fluxos de líquidos ou gases há duas forças opostas,

inertia and viscosity.

a inércia e a viscosidade.

Inertia is the tendency of fluids to keep moving,

A inércia é a tendência de os fluidos continuarem em movimento

which causes instability.

o que causa instabilidade.

Viscosity works against disruption,

A viscosidade funciona contra essa instabilidade,

making the flow laminar instead.

tornando o fluxo laminar.

In thick fluids such as honey,

Nos fluidos espessos, como o mel,

viscosity almost always wins.

a viscosidade ganha quase sempre.

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

Substâncias menos viscosas, como a água ou o ar, são mais propensas à inércia,

which creates instabilities that develop into turbulence.

o que cria instabilidades que evolui em turbulência.

We measure where a flow falls on that spectrum

Medimos a altura em que um fluxo cai nesse espetro,

with something called the Reynolds number,

com uma coisa chamada o número de Reynolds

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

que é o rácio entre a inércia de um fluxo e a sua viscosidade.

The higher the Reynolds number,

Quanto mais alto for o número de Reynolds,

the more likely it is that turbulence will occur.

mais provável é que ocorra turbulência

Honey being poured into a cup, for example,

O mel, ao ser deitado numa chávena, por exemplo,

has a Reynolds number of about 1.

tem um número de Reynolds de cerca de 1.

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

A água, na mesma situação, tem um número de Reynolds perto de 10 000.

The Reynolds number is useful for understanding simple scenarios,

O número de Reynolds é útil para compreender cenários simples,

but it’s ineffective in many situations.

mas é ineficaz em muitas situações.

For example, the motion of the atmosphere is significantly influenced

Por exemplo, o movimento da atmosfera é significativamente influenciado

by factors including gravity and the earth’s rotation.

por fatores que incluem a gravidade e a rotação da Terra

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

ou por coisas relativamente simples como a fricção em edifícios e carros.

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

Podemos fazer modelos disso

graças a muitas experiências e indícios empíricos.

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

Mas os físicos querem poder prevê-los, por meio de leis físicas e equações

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

tal como podemos fazer modelos das órbitas dos planetas ou campos eletromagnéticos.

Most scientists think that getting there will rely on statistics

A maioria dos cientistas pensam lá chegar, através das estatísticas,

and increased computing power.

e da potência acrescida dos computadores.

Extremely high-speed computer simulations of turbulent flows

Simulações de fluxos de turbulência

feitas em computadores de altíssima velocidade

could help us identify patterns that could lead to a theory

poderão ajudar a identificar padrões que podem conduzir a uma teoria

that organizes and unifies predictions across different situations.

que organize e unifique as previsões em diferentes situações.

Other scientists think that the phenomenon is so complex

Outros cientistas pensam que o fenómeno é tão complexo

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

que essa teoria integral nunca vai ser possível.

Hopefully we’ll reach a breakthrough,

Esperemos chegar a essa descoberta

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

porque compreender bem a turbulência pode ter um enorme impacto positivo.

That would include more efficient wind farms;

Isso incluirá turbinas eólicas mais eficazes,

the ability to better prepare for catastrophic weather events;

a capacidade de nos prepararmos melhor para ocorrências de catástrofes

or even the power to manipulate hurricanes away.

ou mesmo o poder de manipular o afastamento de furações.

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

E, claro, viagens mais calmas para milhões de passageiros aéreos.