Ένα επιστημονικό μυστήριο που απασχολούσε τη διεθνή κοινότητα για δεκαετίες φαίνεται πως βρήκε απάντηση με τον πιο απλό, αλλά και θεαματικό τρόπο: μέσω φυσαλίδων νερού. Ερευνητές από τρία κορυφαία ιδρύματα κατάφεραν στο εργαστήριο να επιβεβαιώσουν πειραματικά μια θεωρία που είχε διατυπώσει ήδη από το 1941 ο Σοβιετικός μαθηματικός Andrey Kolmogorov. Η θεωρία περιγράφει πώς η ενέργεια μέσα σε ταραχώδεις ροές δεν εξαφανίζεται απότομα, αλλά «σπάει» σταδιακά, μεταφέροντας την ισχύ της από μεγάλους στροβίλους σε μικρότερους, μέχρι τελικά να διαλυθεί πλήρως.
Η απόδειξη αυτής της θεωρίας, που για δεκαετίες αποτελούσε αντικείμενο συζήτησης και εικασιών, ήρθε μέσα από την παρατήρηση του χαοτικού χορού μικροσκοπικών φυσαλίδων. Σε μια στήλη νερού, φωτισμένη από ισχυρά LED και καταγεγραμμένη με κάμερες υψηλής ταχύτητας, οι επιστήμονες είδαν με λεπτομέρεια αυτό που οι εξισώσεις του Kolmogorov είχαν προβλέψει πριν από 80+ χρόνια.
Η ομάδα, που αποτελείτο από ερευνητές του Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) στη Γερμανία, του Johns Hopkins University και του Duke University στις ΗΠΑ, πραγματοποίησε ένα πείραμα που δεν είχε επιχειρηθεί ποτέ ξανά με τέτοια ακρίβεια. Μέσα σε έναν κάθετο κύλινδρο διαμέτρου 11,5 εκατοστών, διοχετεύτηκαν φυσαλίδες αερίου μεγέθους 3 έως 5 χιλιοστών. Καθώς οι φυσαλίδες ανέρχονταν στην επιφάνεια, προκαλούσαν στροβιλισμούς και ταραγμένες ροές, ένα μικρόκοσμο από χαοτικά μοτίβα που ξεδιπλώνονταν με κινηματογραφική λεπτομέρεια.
Για να καταγράψουν με ακρίβεια τις κινήσεις όχι μόνο των φυσαλίδων αλλά και των σωματιδίων του νερού γύρω τους, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα τρισδιάστατο σύστημα παρακολούθησης. Τέσσερις κάμερες, συγχρονισμένες μεταξύ τους, κατέγραφαν έως και 2.500 καρέ το δευτερόλεπτο, δημιουργώντας ένα πρωτοφανές αρχείο εικόνων και δεδομένων που αποκάλυπταν βήμα-βήμα τη δυναμική της ροής.
Τα αποτελέσματα ήταν αποκαλυπτικά. Σε δύο από τα τέσσερα σενάρια που αναπαράχθηκαν, η μορφή της αναταραχής ταίριαζε απόλυτα με τις προβλέψεις του Kolmogorov για κλίμακες μικρότερες από το μέγεθος των φυσαλίδων. Με απλά λόγια, έξω από τις πιο βίαιες και ακανόνιστες τροχιές, η ενέργεια των ταραγμένων κινήσεων ακολουθούσε με εντυπωσιακή ακρίβεια το μοντέλο «scaling K41», το θεωρητικό πλαίσιο που περιγράφει τη μετάβαση ενέργειας από τους μεγάλους στους μικρούς στροβίλους. Ήταν η πρώτη φορά που τέτοια συμπεριφορά επιβεβαιωνόταν πειραματικά σε ροές που δημιουργούνται αποκλειστικά από φυσαλίδες.
Η συμβολή της μελέτης δεν περιορίστηκε μόνο στη θεωρητική δικαίωση του Kolmogorov. Οι επιστήμονες πρότειναν και μια απλουστευμένη μαθηματική φόρμουλα, ικανή να υπολογίζει την απώλεια ενέργειας στις ροές φυσαλίδων με βάση μόνο δύο παραμέτρους: το μέγεθος και την πυκνότητα των φυσαλίδων. Το μοντέλο αυτό ταίριαξε με εντυπωσιακή συνέπεια στα δεδομένα που συλλέχθηκαν, γεγονός που ανοίγει τον δρόμο για πρακτικές εφαρμογές σε κρίσιμους βιομηχανικούς τομείς. Από τους χημικούς αντιδραστήρες μέχρι τις εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων, όπου η αναταραχή που προκαλείται από φυσαλίδες παίζει κεντρικό ρόλο, η δυνατότητα πρόβλεψης και ελέγχου της ροής μπορεί να οδηγήσει σε πιο αποδοτικές και οικονομικές λύσεις.
[via]
