Kým poriadok často prechádza na chaos, niekedy je opak pravdou. Napríklad turbulentná tekutina má tendenciu spontánne vytvárať upravený vzor: rovnobežné pruhy.
Hoci fyzici experimentálne pozorovali tento jav, môžu teraz vysvetliť, prečo sa to deje pomocou základných rovníc dynamiky tekutín, čím ich priblížili k pochopeniu, prečo sa častice správajú týmto spôsobom.
Keď je v laboratóriu umiestnená tekutina medzi dvoma rovnobežnými doskami, ktoré sa pohybujú v opačných smeroch od seba, jej tok sa stáva turbulentným. Ale po chvíli sa turbulencia vyhladí v pruhovanom vzore. Výsledkom je plátno hladkých a turbulentných línií prebiehajúcich v uhle k toku (predstavte si mierne vlny spôsobené vetrom).
„Z chaotického pohybu turbulencií získate štruktúru a jasný poriadok,“ uviedol hlavný autor Tobias Schneider, odborný asistent na strojárskej škole vo Švajčiarskom federálnom technologickom inštitúte v Lausanne. Toto „zvláštne a veľmi temné“ správanie „vedcov fascinovalo na dlhú dobu.“
Fyzik Richard Feynman predpovedal, že vysvetlenie sa musí skrývať v základných rovniciach dynamiky tekutín, ktoré sa nazývajú Navier-Stokesove rovnice.
Tieto rovnice sa však dajú veľmi ťažko vyriešiť a analyzovať, povedal Schneider spoločnosti Live Science. (Ukázať, že Navier-Stokesove rovnice majú vždy hladké riešenie pre 3D tekutinu, je jedným z problémov Miléniovej ceny $ 1 milión dolárov.) Až do tohto bodu nikto nevedel, ako rovnice predpovedajú toto správanie sa pri formovaní vzorov. Schneider a jeho tím použili kombináciu metód, vrátane počítačových simulácií a teoretických výpočtov, aby našli súbor „veľmi špeciálnych riešení“ týchto rovníc, ktoré matematicky opisujú každý krok prechodu z chaosu na poriadok.
Inými slovami, narušili chaotické správanie na jeho ne chaotické stavebné kamene a našli riešenia pre každý malý kúsok. „Správanie, ktoré pozorujeme, nie je záhadnou fyzikou,“ povedal Schneider. "Je to nejako skryté v štandardných rovniciach, ktoré popisujú tok tekutín."
Tento model je potrebné pochopiť, pretože ukazuje, ako turbulentné a pokojné, inak známe ako „laminárne prúdenie“, navzájom konkurujú pri určovaní svojho konečného stavu. Ak dôjde k tomuto vzoru, turbulentné a laminárne toky majú rovnakú silu - žiadna strana nevyhráva vojnovú remorkér.
Tento model sa však v prírodných systémoch, ako sú turbulencie vo vzduchu, skutočne nevníma. Schneider poznamenáva, že takýto model by bol v skutočnosti pre lietadlo „dosť zlý“, pretože by musel preletieť lešením hrbolatých turbulentných a nie turbulentných línií.
Hlavným cieľom tohto experimentu bolo skôr pochopiť základnú fyziku tekutín v kontrolovanom prostredí. Len pochopením veľmi jednoduchých pohybov tekutín môžeme začať chápať zložitejšie systémy turbulencií, ktoré existujú všade okolo nás, od prúdenia vzduchu okolo lietadiel po vnútornú stranu potrubí, dodal.
Vedci zverejnili svoje zistenia 23. mája v časopise Nature Communications.
