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

Translator: Ngoc Nguyen Reviewer: Tú Anh Cao

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

Trên máy bay, đột nhiên, bạn bị xóc.

Outside your window nothing seems to be happening,

Ngoài trời, dường như chẳng có gì xảy ra,

yet the plane continues to rattle you and your fellow passengers

nhưng bạn và các hành khách vẫn tiếp tục bị rung lắc

as it passes through turbulent air in the atmosphere.

khi máy bay bay qua vùng không khí bị nhiễu động.

Although it may not comfort you to hear it,

Có lẽ bạn sẽ không mấy thích thú khi biết rằng

this phenomenon is one of the prevailing mysteries of physics.

hiện tượng này là một trong những bí ẩn thú vị nhất trong vật lý.

After more than a century of studying turbulence,

Sau hơn một thế kỷ nghiên cứu về nhiễu động,

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

ta chỉ mới có vài giải thích về cách hoạt động,

and affects the world around us.

và ảnh hưởng của nó lên ta.

And yet, turbulence is ubiquitous,

Nhiễu động ở khắp mọi nơi,

springing up in virtually any system that has moving fluids.

xuất hiện trong hầu hết mọi hệ chuyển động chất lưu.

That includes the airflow in your respiratory tract.

Gồm luồng khí di chuyển trong đường hô hấp.

The blood moving through your arteries.

Máu lưu thông trong động mạch.

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

Và cả trong ly cà phê đang được khuấy.

Clouds are governed by turbulence,

Mây bị nhiễu động chi phối,

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

sóng vỗ dọc bờ biển và gió mặt trời cũng vậy.

Understanding precisely how this phenomenon works

Hiểu rõ cách hiện tượng này hoạt động

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

sẽ tạo ra nhiều thay đổi trong cuộc sống.

Here’s what we do know.

Sau đây là những điều ta biết.

Liquids and gases usually have two types of motion:

Chất lỏng và khí thường có hai loại chuyển động:

a laminar flow, which is stable and smooth;

dòng chảy tầng: ổn định và trơn tru,

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

dòng chảy rối: là tập hợp các xoáy rối loạn.

Imagine an incense stick.

Hãy tưởng tượng một cây nhang.

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

Ở đầu nhang, dòng khói mượt, ổn định và dễ đoán.

Closer to the top, however,

Tuy nhiên, gần cuối cột khói,

the smoke accelerates, becomes unstable,

tốc độ dòng tăng lên, dòng không còn ổn định,

and the pattern of movement changes to something chaotic.

và chuyển động của cột khói trở nên hỗn loạn.

That’s turbulence in action,

Đó là sự nhiễu động,

and turbulent flows have certain characteristics in common.

và dòng chảy rối có những đặc điểm sau.

Firstly, turbulence is always chaotic.

Đầu tiên, khác với ngẫu nhiên, nhiễu động luôn là hỗn loạn.

That’s different from being random.

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

Nói đúng hơn, nhiễu động rất nhạy với va chạm (lực ma sát).

A little nudge one way or the other

Một chút tác động có thể làm thay đổi toàn bộ,

will eventually turn into completely different results.

That makes it nearly impossible to predict what will happen,

khiến gần như không thể dự đoán được nhiễu động

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

ngay cả khi có rất nhiều thông tin về hiện trạng.

Another important characteristic of turbulence

Một đặc điểm quan trọng khác của nhiễu động là kích cỡ dòng.

is the different scales of motion that these flows display.

Turbulent flows have many differently-sized whirls called eddies,

Dòng chảy rối có nhiều vòng xoáy có kích thước khác nhau gọi là xoáy rối,

which are like vortices of different sizes and shapes.

giống như gió xoáy, có nhiều hình dạng và kích cỡ.

All those differently-sized eddies interact with each other,

Các xoáy rối tương tác với nhau, tiêu tán năng lượng và nhỏ dần

breaking up to become smaller and smaller

until all that movement is transformed into heat,

đến khi toàn bộ động năng biến thành nhiệt.

in a process called the “energy cascade."

Quá trình này được gọi là: "thác năng lượng".

So that’s how we recognize turbulence–

Đó là cách nhận biết nhiễu động,

but why does it happen?

nhưng tại sao nó lại xảy ra?

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

Luôn tồn tại hai lực đối nhau trong chất lỏng và chất khí:

inertia and viscosity.

quán tính và độ nhớt.

Inertia is the tendency of fluids to keep moving,

Quán tính khiến chất lỏng tiếp tục di chuyển,

which causes instability.

gây ra bất ổn.

Viscosity works against disruption,

Độ nhớt chống lại bất ổn, khiến dòng chảy trơn tru hơn.

making the flow laminar instead.

In thick fluids such as honey,

Trong chất lỏng đặc như mật ong, độ nhớt thường thắng thế.

viscosity almost always wins.

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

Các chất có độ nhớt nhỏ như nước hay không khí

chịu ảnh hưởng của quán tính nhiều hơn,

which creates instabilities that develop into turbulence.

tạo nên bất ổn, hình thành nhiễu loạn.

We measure where a flow falls on that spectrum

Ta phân loại dòng chảy bằng cách đối chiếu khoảng phổ

with something called the Reynolds number,

nhờ một thứ gọi là số Reynold,

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

là tỷ số giữa lực quán tính và độ nhớt dòng.

The higher the Reynolds number,

Số Reynold càng lớn, khả năng xảy ra nhiễu động càng cao.

the more likely it is that turbulence will occur.

Honey being poured into a cup, for example,

Ví dụ, chỉ số Reynold khi đổ mật ong vào ly xấp xỉ bằng 1.

has a Reynolds number of about 1.

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

Tương tự, với nước, chỉ số Reynold gần bằng 10.000.

The Reynolds number is useful for understanding simple scenarios,

Số Reynold rất hữu ích Với các hệ đơn giản,

but it’s ineffective in many situations.

nhưng trở nên vô dụng trong nhiều trường hợp khác.

For example, the motion of the atmosphere is significantly influenced

Ví dụ, chuyển động trong lòng khí quyển bị ảnh hưởng mạnh

by factors including gravity and the earth’s rotation.

bởi các yếu tố như trọng lực và sự quay quanh trục của Trái đất.

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

Hay đơn giản hơn, lực cản trên các tòa nhà và xe hơi.

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

Nhờ có nhiều thí nghiệm và thực nghiệm, ta có thể tạo các mô hình tương ứng.

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

Nhưng các nhà vật lý muốn dự đoán chúng qua định luật và phương trình vật lý

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

như việc tạo mô hình quỹ đạo các hành tinh hoặc trường điện từ.

Most scientists think that getting there will rely on statistics

Hầu hết các nhà khoa học tin rằng có thể dự đoán

dùng phương pháp thống kê với máy tính có cấu hình cực mạnh.

and increased computing power.

Extremely high-speed computer simulations of turbulent flows

Mô phỏng dòng chảy rối trên máy tính có tốc độ xử lí cao

could help us identify patterns that could lead to a theory

giúp xác định các mẫu làm cơ sở xây dựng lý thuyết

that organizes and unifies predictions across different situations.

dự đoán mọi hệ nhiễu động một cách có hệ thống.

Other scientists think that the phenomenon is so complex

Vài nhà khoa học khác tin rằng hiện tượng này quá phức tạp

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

nên việc xây dựng lý thuyết hoàn chỉnh là không thể.

Hopefully we’ll reach a breakthrough,

Hy vọng, tương lai, ta có thể tạo ra đột phá,

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

vì hiểu rõ về nhiễu động có tác động rất lớn,

That would include more efficient wind farms;

như giúp khai thác hiệu quả hơn năng lượng điện gió,

the ability to better prepare for catastrophic weather events;

chuẩn bị tốt hơn trước thiên tai,

or even the power to manipulate hurricanes away.

hoặc thậm chí, điều chỉnh hướng bão.

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

Và, dĩ nhiên, những chuyến bay dễ chịu hơn cho hàng triệu hành khách.