Para quem já viu as ondas do mar ou a água em movimento rápido, a turbulência pode parecer puro caos. Correntes fortes se torcem e se agitam, criando redemoinhos que se dividem em redemoinhos cada vez menores até que sua energia eventualmente desapareça.
Durante décadas, os cientistas acreditaram que este processo segue um padrão previsível. Em ambientes tridimensionais, como o oceano e a atmosfera, acredita-se que a energia flua de estruturas maiores para estruturas menores. Novas pesquisas sugerem que a regra pode não ser tão fixa como antes.
Pesquisadores da Universidade de Pittsburgh, trabalhando com colaboradores da Universidade de Torino, na Itália, descobriram que a direção do fluxo de energia na turbulência pode, na verdade, ser alterada. Suas descobertas, publicadas A ciência avança O artigo “Direcionando o fluxo de energia turbulento através da geometria tensorial em um fluxo bidimensional” pode ter implicações para a medicina, a gestão costeira e a ciência climática.
Desafiando uma teoria fundamental do caos
O trabalho foi liderado por Lei Fang, professor assistente do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da Escola de Engenharia Pitts Swanson, juntamente com os alunos de doutorado Jinyu Si, Filippo De Lillo e Guido Boffetta.
“Desde 1941, com a pesquisa de Andrey Kolmogorov, o fluxo de energia foi previsto. No fluxo 3D, como um corpo de água, a energia se move de grande para pequena escala. Para o fluxo 2D, que ocorre em finas camadas de água, esse fluxo é invertido, de pequeno para grande”, disse Fang.
Para investigar se esse comportamento poderia ser mudado, Fang abordou o problema de uma perspectiva diferente.
“Para compreender este conceito abstrato em diferentes escalas”, acrescentou Fang, “reformulei o processo de fluxo de energia em um processo mecânico baseado na equação de Navier-Stokes. E como é um processo mecânico, posso tentar revertê-lo alterando a geometria entre deslocamento e força.”
Sua abordagem baseava-se em tensores, objetos matemáticos comumente usados para descrever quantidades como tensão e deformação. Essas propriedades desempenham um papel importante na formação de turbulência.
Ao criar uma estrutura geométrica baseada em alinhamentos de tensores, Fang descobriu que a direção da transferência de energia depende de como esses tensores interagem. Sob certas condições, o fluxo de energia pode ser redirecionado em vez de seguir o caminho tradicionalmente esperado.
“Mostramos que podemos criar fluxos turbulentos que exibem fluxo de energia direto ou reverso”, disse Fang. “Nossa estrutura também se estende à escala 3D.”
Experimentos confirmam a teoria
A ideia baseia-se no trabalho anterior de Fang, que mostra que pequenos nadadores podem perturbar fortes correntes oceânicas. No novo estudo, ele voltou sua atenção para o fluxo de fundo e como ele interage com forças externas.
Os pesquisadores descobriram que quando essas forças estão alinhadas de certas maneiras, elas podem mudar a forma como a energia se move através de um sistema turbulento.
Para testar a teoria, Fang e Si conduziram experimentos em laboratório usando uma fina camada de água impulsionada por forças eletromagnéticas. Um campo magnético horizontal produziu um fluxo bidimensional, quando uma série de hastes foi usada para perturbá-lo. Partículas traçadoras suspensas em uma fina camada de eletrólito permitiram à equipe visualizar e medir o movimento do fluido.
Os resultados experimentais corresponderam às simulações computacionais e apoiaram a previsão da nova estrutura.
Potenciais aplicações da medicina nos oceanos
A capacidade de influenciar fluxos turbulentos de energia pode eventualmente proporcionar benefícios práticos em diversos campos.
“Com esta estrutura teórica, descobrimos que podemos usar limites físicos tão pequenos quanto dezenas de metros para romper barreiras de transporte oceânico que se estendem por quilómetros”, disse Fang. “É possível mudar a direção do fluxo de energia, o que pode melhorar a forma como as águas residuais ou outros poluentes se dispersam ao longo da costa.”
As descobertas também podem ser úteis na medicina, particularmente em sistemas microfluídicos onde os fluidos se movem através de canais menores que um milímetro. Nesta escala, os fluidos se misturam mal porque a turbulência está praticamente ausente.
“Em fluxos microfluídicos de menos de um milímetro, onde a viscosidade de um fluido dificulta a mistura porque há pouca ou nenhuma turbulência”, acrescentou Fang, “podemos alinhar forças e deslocamentos para criar ‘turbulência de baixo número de Reynolds’ fraca, que pode acelerar a mistura de agentes. “
Implicações para a modelagem climática
A pesquisa também poderá contribuir para futuras melhorias nas simulações climáticas.
As correntes oceânicas e a circulação atmosférica desempenham um papel importante no controle da temperatura global. À medida que as alterações climáticas alteram os padrões dos ventos e o comportamento dos oceanos, as forças que actuam sobre estes sistemas também podem afectar a forma como a energia se move através de fluxos turbulentos.
“Embora seja especulativo neste momento, a pesquisa poderia melhorar a modelagem climática”, disse Fang. “À medida que as alterações climáticas alteram os padrões do vento e as correntes oceânicas, a pressão e as correntes do vento podem mudar a direção do fluxo de energia. Compreender as forças que impulsionam estas mudanças pode levar a modelos mais precisos.”
Embora sejam necessárias pesquisas adicionais, a pesquisa sugere que uma das suposições mais estabelecidas da teoria da turbulência pode ser mais flexível do que os cientistas acreditavam. Em vez de simplesmente seguir um caminho predeterminado, a energia turbulenta pode ser direcionada e redirecionada nas condições certas.
