Físicos inverteram o fluxo de energia na turbulência, dobrando uma regra de 80 anos

Numa fina lâmina de água em remoinho, uns físicos fizeram a energia correr ao contrário. Em vez de descer para remoinhos cada vez mais pequenos, ou de subir para outros cada vez maiores, o escoamento fez aquilo que os investigadores escolheram, conforme dispunham as forças que o agitavam. O resultado desafia uma suposição que molda a física dos fluidos há mais de oitenta anos.

Há mais de oitenta anos que a imagem vigente da turbulência é uma cascata de sentido único. Nos escoamentos tridimensionais de um rio ou do oceano aberto, julgava-se que a energia descia de forma constante dos grandes remoinhos para os pequenos, onde por fim se dissipa em calor. Em camadas finas, quase bidimensionais, acreditava-se que a cascata se invertia e que os remoinhos pequenos alimentavam os maiores. De qualquer modo, o sentido parecia fixado pela geometria do espaço onde o fluido vivia.

O novo trabalho solta esse sentido das dimensões do escoamento. O que fixa a direção, descobriram os investigadores, é o alinhamento entre duas grandezas em cada ponto do fluido: a tensão que o aperta e a deformação que ele sofre em resposta. Ajusta o ângulo entre força e deslocamento e a energia pode ser empurrada para cima ou para baixo na escala. A forma do recipiente deixa de ser um destino.

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Para o mostrar, a equipa agitou com forças magnéticas uma camada pouco profunda de líquido condutor de eletricidade, polvilhou-a com partículas traçadoras e filmou como se moviam. Ao remodelar o padrão de forçamento, produziu escoamentos com transferência de energia para a frente e escoamentos com transferência inversa no mesmo aparelho. As simulações por computador do mesmo arranjo reproduziram a inversão, o tipo de concordância que transforma uma imagem surpreendente numa medição.

Controlar a cascata tem alcance prático. O sentido em que a energia flui num fluido governa como as coisas se espalham por ele, por isso dirigi-lo poderia mudar como uma costa dispersa uma pluma de águas residuais, como um chip de microfluídica mistura volumes minúsculos para um teste médico, ou como a energia se move pelos escoamentos em camadas que os modelos climáticos tentam captar.

A demonstração vive num sistema cuidadosamente controlado e essencialmente bidimensional, não na turbulência tridimensional e caótica de uma tempestade ou de uma corrente profunda. Se esse mesmo controlo do sentido sobrevive em escoamentos plenamente tridimensionais e de alta energia é uma pergunta em aberto, e o salto de uma bandeja de laboratório para o oceano é grande. O princípio fica estabelecido; o seu alcance, não.

A investigação foi conduzida por uma equipa liderada a partir da Universidade de Pittsburgh, em colaboração com a Universidade de Turim, e foi publicada na revista Science Advances. O passo seguinte do grupo é testar até onde chega o controlo por alinhamento de tensores à medida que os escoamentos ficam mais espessos e mais energéticos, o regime em que vive de facto quase toda a turbulência real.

Etiquetas: física

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