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

Translator: Varintorn Tacha Reviewer: Sakunphat Jirawuthitanant

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

คุณกำลังอยู่บนเครื่องบิน ทันใดคุณก็รู้สึกสั่นสะเทือนอย่างกะทันหัน

Outside your window nothing seems to be happening,

มองไปนอกหน้าต่าง ก็ดูเหมือนไม่มีอะไรเกิดขึ้น

yet the plane continues to rattle you and your fellow passengers

แต่การสั่นอันน่าตระหนกตกใจ ยังคงเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง

as it passes through turbulent air in the atmosphere.

ขณะที่เครื่องบินกำลังบินผ่าน กระแสอากาศแปรปรวนในชั้นบรรยากาศ

Although it may not comfort you to hear it,

ถึงแม้ว่ามันอาจจะฟังดูไม่ค่อยน่าไว้วางใจ

this phenomenon is one of the prevailing mysteries of physics.

แต่ปรากฏการณ์นี้เป็นหนึ่งในความลึกลับ ที่ยังไม่สามารถไขได้ของวิชาฟิสิกส์

After more than a century of studying turbulence,

เป็นเวลากว่าศตวรรษในการศึกษาหลุมอากาศ

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

เราสามารถเข้าใจถึงการเกิดขึ้น และผลกระทบต่อโลกรอบตัวเรา

and affects the world around us.

ได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น

And yet, turbulence is ubiquitous,

ถึงอย่างนั้น หลุมอากาศนั้น พบได้ทุกหนทุกแห่ง

springing up in virtually any system that has moving fluids.

มันเกิดขึ้นได้ในแทบทุกระบบ ที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของของไหล

That includes the airflow in your respiratory tract.

รวมถึงกระแสลมในทางเดินหายใจของคุณ

The blood moving through your arteries.

เลือดที่ไหลผ่านหลอดเลือดของคุณ

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

รวมถึงกาแฟในถ้วยในขณะที่คุณคนมัน

Clouds are governed by turbulence,

เมฆนั้นถูกควบคุมด้วยหลุมอากาศ

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

เช่นเดียวกับคลื่นที่ซัดเข้าหาฝั่ง และกระแสลมพลาสม่าบนดวงอาทิตย์ของเรา

Understanding precisely how this phenomenon works

การเข้าใจอย่างถ่องแท้ ถึงกลไกของปรากฎการณ์นี้

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

จะส่งผลกับชีวิตเราในแง่มุมต่าง ๆ

Here’s what we do know.

และนี่คือสิ่งที่เรารู้

Liquids and gases usually have two types of motion:

การเคลื่อนไหวของเหลวและก๊าซนั้น เแบ่งออกได้สองลักษณะ คือ

a laminar flow, which is stable and smooth;

การไหลแบบราบเรียบ คือการไหลที่สม่ำเสมอและเป็นระเบียบ

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

และการไหลแบบวน ซึ่งเป็นการไหลวนอย่างไม่เป็นระเบียบ

Imagine an incense stick.

ลองนึกภาพควันจากการจุดธูปหอม

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

เมื่อเรามองไปที่ฐานของกลุ่มควัน เราจะเห็นการไหลที่คงที่และคาดเดาได้ง่าย

Closer to the top, however,

แต่เมื่อมองกลุ่มควันด้านบน

the smoke accelerates, becomes unstable,

ควันจะลอยตัวเร็วขึ้นและไม่เสถียร

and the pattern of movement changes to something chaotic.

รูปแบบการเคลื่อนที่จะเปลี่ยนไป เป็นการเคลื่อนที่แบบยุ่งเหยิง

That’s turbulence in action,

สิ่งที่เราเห็นก็คือ หลุมอากาศ

and turbulent flows have certain characteristics in common.

การไหลแบบวนนั้น มีลักษณะบางอย่างที่คล้ายคลึงกัน

Firstly, turbulence is always chaotic.

ประการแรก หลุมอากาศนั้น มักจะเต็มไปด้วยความยุ่งเหยิง

That’s different from being random.

ซึ่งแตกต่างจากการสุ่ม

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

หมายความว่า หลุมอากาศนั้น อ่อนไหวต่อการเปลี่ยนแปลงอย่างมาก

A little nudge one way or the other

เมื่อมีอะไรมาสะกิดแม้เพียงเล็กน้อย

will eventually turn into completely different results.

ก็สามารถเปลี่ยนแปลงจนสร้าง ผลลัพธ์ที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงได้

That makes it nearly impossible to predict what will happen,

ทำให้แทบจะเป็นไปไม่ได้เลย ที่จะคาดการณ์ว่าจะเกิดอะไรขึ้น

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

ถึงแม้จะมีข้อมูลมากมาย ที่แสดงสถานะปัจจุบันของระบบการไหล

Another important characteristic of turbulence

ลักษณะสำคัญอีกประการของหลุมอากาศ คือ

is the different scales of motion that these flows display.

การเคลื่อนที่ที่ต่างกันในกระแสการไหล

Turbulent flows have many differently-sized whirls called eddies,

การไหลแบบวนนั้นประกอบด้วย การไหลวนที่เรียกว่ากระแสวนขนาดต่าง ๆ

which are like vortices of different sizes and shapes.

ซึ่งเป็นเหมือนกระแสน้ำวน ที่มีขนาดและรูปร่างแตกต่างกัน

All those differently-sized eddies interact with each other,

กระแสวนขนาดต่าง ๆ กันนั้นมีปฏิสัมพันธ์กัน

breaking up to become smaller and smaller

แตกตัวจนมีขนาดเล็กลงเรื่อย ๆ

until all that movement is transformed into heat,

จนการเคลื่อนที่กลายเป็นพลังงานความร้อน

in a process called the “energy cascade."

ในกระบวนการ “การปลดปล่อยพลังงาน”

So that’s how we recognize turbulence–

นั่นคือวิธีที่เรารับรู้ถึงหลุมอากาศ

but why does it happen?

แต่ทำไมมันถึงเกิดขึ้น

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

ในการไหลของของเหลวหรือก๊าซ จะมีแรงสองแรงคู่ตรงข้ามเกิดขึ้น

inertia and viscosity.

นั่นคือความเฉื่อยและความหนืด

Inertia is the tendency of fluids to keep moving,

ความเฉื่อยเป็นแนวโน้มของของไหล ที่จะเคลื่อนที่ต่อไป

which causes instability.

ซึ่งทำให้เกิดความไม่เสถียร

Viscosity works against disruption,

ส่วนความหนืดนั้นออกแรงตรงข้าม กับการหยุดชะงัก

making the flow laminar instead.

ทำให้การไหลแบบราบเรียบแทน

In thick fluids such as honey,

ในของเหลวข้น ๆ อย่างน้ำผึ้ง

viscosity almost always wins.

ความหนืดมักจะเป็นแรงหลักที่ชนะ

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

สสารที่มีความหนืดน้อยอย่างน้ำหรืออากาศ มีแนวโน้มที่แรงเฉื่อยจะชนะ

which creates instabilities that develop into turbulence.

ทำให้เกิดความไม่เสถียร ซึ่งจะพัฒนาไปสู่หลุมอากาศ

We measure where a flow falls on that spectrum

เราวัดที่กระแสตกบนคลื่นความถี่นั้น

with something called the Reynolds number,

กับสิ่งที่เรียกว่า ค่าเลขเรย์โนลด์

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

ซึ่งเป็นอัตราส่วนระหว่างกระแสของ ความเฉื่อยและความหนืดของมัน

The higher the Reynolds number,

ยิ่งค่าเลขเรย์โนลด์สูงเท่าไหร่

the more likely it is that turbulence will occur.

ยิ่งมีแนวโน้มว่า หลุมอากาศจะเกิดมากขึ้น

Honey being poured into a cup, for example,

น้ำผึ้งถูกเทลงในถ้วย ตัวอย่างเช่น

has a Reynolds number of about 1.

มีค่าเลขเรย์โนลด์ประมาณหนึ่ง

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

ชุดเดียวกันกับน้ำมีค่าเลขเรย์โนลด์ ที่ใกล้ถึง 10,000

The Reynolds number is useful for understanding simple scenarios,

ค่าเลขเรย์โนลด์มีประโยชน์สำหรับ เข้าใจสถานการณ์ง่าย ๆ

but it’s ineffective in many situations.

แต่ก็ไม่ได้ผลในหลายสถานการณ์

For example, the motion of the atmosphere is significantly influenced

เช่น การเคลื่อนที่ของบรรยากาศ ได้รับอิทธิพลอย่างมาก

by factors including gravity and the earth’s rotation.

โดยปัจจัยต่าง ๆ รวมทั้งแรงโน้มถ่วง และการหมุนของโลก

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

หรือใช้สิ่งที่ค่อนข้างง่าย เช่นการลากบนอาคารและรถยนต์

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

เราสามารถจำลองสิ่งเหล่านั้นได้ ต้องขอบคุณ หลาย ๆ คนการทดลองและหลักฐานเชิงประจักษ์

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

แต่นักฟิสิกส์ต้องการที่จะสามารถทำนายได้ ผ่านกฎและสมการทางกายภาพ

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

เช่นกัน เราสามารถจำลองวงโคจรได้ ของดาวเคราะห์หรือสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

Most scientists think that getting there will rely on statistics

นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่คิดว่า การไปถึงที่นั่นจะอาศัยสถิติ

and increased computing power.

และพลังประมวลผลที่เพิ่มขึ้น

Extremely high-speed computer simulations of turbulent flows

การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ความเร็วสูงมาก ของกระแสน้ำวน

could help us identify patterns that could lead to a theory

สามารถช่วยเราระบุรูปแบบที่สามารถ นำไปสู่ทฤษฎี

that organizes and unifies predictions across different situations.

ที่จัดระเบียบและรวมคำทำนาย ในสถานการณ์ต่าง ๆ

Other scientists think that the phenomenon is so complex

นักวิทยาศาสตร์คนอื่น ๆ คิดว่า ปรากฏการณ์นี้ซับซ้อนมาก

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

ว่า ทฤษฎีที่เต็มเปี่ยมเช่นนั้น จะไม่มีวันเป็นไปได้

Hopefully we’ll reach a breakthrough,

หวังว่า เราจะบรรลุความก้าวหน้า

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

เพราะการเข้าใจหลุมอากาศอย่างแท้จริง อาจส่งผลกระทบเชิงบวกอย่างมหาศาล

That would include more efficient wind farms;

ที่จะรวมถึง ฟาร์มกังหันลมที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น

the ability to better prepare for catastrophic weather events;

ความสามารถในการเตรียมตัวที่ดีขึ้นสำหรับ เหตุการณ์สภาพอากาศเลวร้าย

or even the power to manipulate hurricanes away.

หรือแม้แต่อำนาจในการจัดการ พายุเฮอริเคนออกไป

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

และแน่นอน การขับขี่ที่นุ่มนวลขึ้น สำหรับผู้โดยสารสายการบินหลายล้านคน