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

Переводчик: Ростислав Голод Редактор: Anton Zamaraev

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

Вы летите на самолёте, как вдруг ощущаете внезапный толчок.

Outside your window nothing seems to be happening,

За окном вроде бы ничего не происходит,

yet the plane continues to rattle you and your fellow passengers

но самолёт, а вместе с ним вас и других пассажиров начинает трясти,

as it passes through turbulent air in the atmosphere.

ведь он пролетает через зону турбулентности в атмосфере.

Although it may not comfort you to hear it,

Вряд ли вас это успокоит,

this phenomenon is one of the prevailing mysteries of physics.

но данное явление — одна из неразгаданных тайн физики.

After more than a century of studying turbulence,

Спустя почти век с начала изучения турбулентности

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

нам удалось получить лишь немного ответов на вопрос о природе

and affects the world around us.

и влиянии этого явления на окружающий нас мир.

And yet, turbulence is ubiquitous,

И тем не менее, турбулентность можно повстречать повсюду,

springing up in virtually any system that has moving fluids.

и возникает она практически в любой системе, содержащей движущиеся жидкости.

That includes the airflow in your respiratory tract.

К ним относятся и поток воздуха в дыхательных путях,

The blood moving through your arteries.

и циркуляция крови в артериях,

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

и даже кофе в чашке, когда вы размешиваете там сахар.

Clouds are governed by turbulence,

Турбулентность не только управляет облаками,

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

волнами, бьющими о берег, но даже потоками плазмы солнечного ветра.

Understanding precisely how this phenomenon works

Понимание, что в точности представляет собой данное явление,

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

будет иметь практическое значение для очень многих аспектов нашей жизни.

Here’s what we do know.

Вот что известно на данный момент.

Liquids and gases usually have two types of motion:

Жидкости и газы обычно способны перемещаться двумя способами:

a laminar flow, which is stable and smooth;

устойчивым и плавным ламинарным течением

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

и турбулентным течением, состоящим из, казалось бы, неупорядоченных вихрей.

Imagine an incense stick.

Представьте себе дымящуюся ароматическую палочку.

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

Ламинарное течение дыма у его основания плавно и предсказуемо.

Однако ближе к его верхней части

Closer to the top, however,

the smoke accelerates, becomes unstable,

дым ускоряется и становится неустойчивым,

and the pattern of movement changes to something chaotic.

а его движения — хаотичными.

That’s turbulence in action,

Это и есть турбулентность в действии,

and turbulent flows have certain characteristics in common.

и у любого турбулентного движения имеются характерные черты.

Firstly, turbulence is always chaotic.

Во-первых, турбулентность всегда хаотична.

That’s different from being random.

Это не означает, что она случайна.

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

Скорее, это значит, что турбулентность чрезвычайно чувствительна к помехам.

A little nudge one way or the other

Любое воздействие на неё

will eventually turn into completely different results.

так или иначе в итоге приводит к совершенно различным результатам.

That makes it nearly impossible to predict what will happen,

Поэтому, даже обладая большим объёмом данных о текущем состоянии системы,

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

совершенно невозможно предсказать, что в ней произойдёт.

Another important characteristic of turbulence

Ещё одним важным свойством турбулентности

is the different scales of motion that these flows display.

является различие в масштабах движения, обнаруживаемого в этих потоках.

Turbulent flows have many differently-sized whirls called eddies,

В турбулентных потоках существует много течений, называемых вихрями,

which are like vortices of different sizes and shapes.

которые похожи на воронки различных размеров и форм.

All those differently-sized eddies interact with each other,

Все эти различной величины вихри взаимодействуют друг с другом,

breaking up to become smaller and smaller

постепенно распадаясь и уменьшаясь в размерах,

until all that movement is transformed into heat,

пока вся кинетическая энергия не перейдёт в тепловую

in a process called the “energy cascade."

в ходе процесса под названием энергетический каскад.

So that’s how we recognize turbulence–

Так турбулентность проявляется,

but why does it happen?

но почему же она происходит?

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

На каждую текучую жидкость или газ действуют две противоположные силы —

inertia and viscosity.

инерция и вязкость.

Inertia is the tendency of fluids to keep moving,

Инерция — это стремление жидкости продолжать течь,

which causes instability.

что вызывает неустойчивость.

Viscosity works against disruption,

Вязкость сопротивляется изменениям,

making the flow laminar instead.

создавая при этом ламинарное течение.

In thick fluids such as honey,

У таких густых жидкостей, как мёд,

viscosity almost always wins.

вязкость почти всегда преобладает.

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

Менее вязкие вещества, такие как вода или воздух, более склонны к инерции,

which creates instabilities that develop into turbulence.

которая создаёт неустойчивости, переходящие в турбулентность.

We measure where a flow falls on that spectrum

Положение этого показателя для жидкости в широком диапазоне величин

with something called the Reynolds number,

называется числом Рейнольдса,

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

которое характеризуется отношением инерционных сил к вязким силами трения.

The higher the Reynolds number,

Чем выше число Рейнольдса,

the more likely it is that turbulence will occur.

тем более вероятно возникновение турбулентности.

Honey being poured into a cup, for example,

Например, число Рейнольдса

has a Reynolds number of about 1.

переливаемого в чашку мёда равно примерно 1.

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

А в случае воды число Рейнольдса будет порядка 10 000.

The Reynolds number is useful for understanding simple scenarios,

Число Рейнольдса полезно для понимания простых явлений,

but it’s ineffective in many situations.

но малоэффективно во многих других ситуациях.

For example, the motion of the atmosphere is significantly influenced

Например, на движение воздуха существенно влияют такие факторы,

by factors including gravity and the earth’s rotation.

как гравитация и вращение Земли.

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

Или же возьмите относительно простую турбулентность от зданий или автомобилей.

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

Мы можем моделировать эти условия при помощи опытов и эмпирических данных.

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

Но физики хотят предсказывать их посредством законов и уравнений

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

точно так же, как рассчитывать орбиты планет или электромагнитные поля.

Most scientists think that getting there will rely on statistics

Большинство учёных считает, что для этого потребуются статистические данные

and increased computing power.

и увеличение вычислительных мощностей компьютеров.

Extremely high-speed computer simulations of turbulent flows

Сверхскоростные компьютерные симуляции турбулентных потоков

could help us identify patterns that could lead to a theory

могут помочь определить закономерности, на основании которых можно создать теорию,

that organizes and unifies predictions across different situations.

упорядочивающую и унифицирующую прогнозы для различных ситуаций.

Other scientists think that the phenomenon is so complex

Другие учёные полагают, что данное явление настолько сложно,

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

что его полноценная теория никогда не станет возможна.

Hopefully we’ll reach a breakthrough,

Остаётся надеяться, что мы продвинемся в понимании природы турбулентности,

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

потому что полное понимание окажет огромное положительное влияние.

That would include more efficient wind farms;

Оно позволит строить более энергоэффективные ветряные электростанции,

the ability to better prepare for catastrophic weather events;

а также лучше противостоять катастрофическим погодным катаклизмам

or even the power to manipulate hurricanes away.

или даже научиться отводить ураганы.

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

Ну и, конечно же, полёты для миллионов пассажиров станут гораздо приятнее.