Jeśli ludzie nie chcą dopuścić do tego, aby oceany zaczęły się gotować, to muszą znaleźć sposoby na to, jak w bardziej efektywny sposób wykorzystywać energię. To z kolei wymaga rozwiązania problemów, które zazwyczaj nie są wiązane ze zmianą klimatu – chodzi m.in. o turbulencje, powstające wtedy, gdy pompujemy powietrze, wodę, ropę, gaz czy inne substancje przez infrastrukturę przesyłową, np. ropo- czy wodociągi. Ze względu na efekty zakłócające, występujące przy zjawisku turbulencji, tracimy ok. 10 proc. całej energii produkowanej na Ziemi.
Na szczęście ostatnie przełomowe badania w królestwie fizyki sprawiają, że znajdujemy się bliżej rozwiązania tego problemu.
Turbulencje od dawna stanowiły problem dla fizyków. Mianem tym określa się zjawisko związane ze sposobem, w jaki zachowują się gazy i ciecze, jeśli poruszają się z odpowiednio duża prędkością. Ruch tych gazów i cieczy staje się wówczas po części chaotyczny, tworzą się zakłócenia i wiry. Zakłócenia ruchu są na tyle nieregularne, że trudno jest je opisać i przewidzieć za pomocą regularnej matematyki.
Nawet koncepcja prędkości ma tym przypadku niewiele sensu: ruchy są tak splątane i nieregularne, że każda cząsteczka może poruszać się w różnych kierunkach. Gdy cofniemy się do lat 20. XX wieku, pionier prognozowania pogody Lewis Richardson napisał tekst pt. „Czy wiatr ma prędkość?”. I zadawał to pytanie na poważnie.
Dwa ostatnie badania turbulencji rzucają jednak nowe światło na to zjawisko. W jednym z nich udało się wyjaśnić, w jaki sposób płynne strumienie rozpadają się na turbulencje. W drugim z kolei pokazano, jak można uniknąć turbulencji w mądry i niekiedy dziwny sposób.
Wydaje się, że istnieje całkiem wyraźny próg prędkości, powyżej którego w płynącej cieczy w rurze zaczynają tworzyć się turbulencje, ale jak dokładnie przebiega ten proces, nie było wiadomo. Czy turbulencje powstają na raz, czy w etapach?
Na podstawie serii eksperymentów niemiecki fizyk Bjorn Hof wraz z kolegami doszli do ciekawych wniosków: turbulencje pojawiają się w formie małych „podmuchów” – małych obszarów zakłóconego przepływu. Następnie mogą się one podzielić, wywołując kolejne „podmuchy”. Powyżej pewnej prędkości przepływu podmuchy te jednak nikną szybciej niż się pojawiły. Nawet jeśli postawimy pewną przeszkodę na drodze przepływu cieczy, to wywołane podmuchy wkrótce znikną. Ale poniżej tej prędkości podmuchy będą tworzyły się szybciej niż zanikały, powodując narastanie turbulencji. W dziwny sposób mamy tu do czynienia z podobną matematyką, jak w przypadku rozprzestrzeniania się chorób.
Samo to odkrycie jest już przełomem w tym obszarze. Ale niemiecki badacz i jego koledzy poszli jeszcze dalej, próbując zbadać, w jaki sposób można kontrolować turbulencje. Otóż sprawdzono, jak wpływ na przepływ cieczy ma umieszczenie w rurze dodatkowych wirników oraz wtrysków strumieni płynu wzdłuż ściany rury. Intuicja sugerowałaby, że dodatkowe interwencje będą zwiększały turbulencje, i tak się dzieje, ale w obu przypadkach przepływ powraca do normalnego stanu. Co ważniejsze, interwencje tego typu mogą zmniejszyć całkowite tarcie związane z turbulencjami nawet 90 proc. To efekt, jakiego niewiele osób mogłoby się spodziewać.
Eksperymenty te skupiające się wokół klasycznego w fizyce problemu należą do najciekawszych, z jakimi miałem ostatnio do czynienia. I choć mogą się wydawać nieco ezoteryczne, to ich praktyczne konsekwencje mogą być wielkie. Dzięki tym odkryciom inżynierowie mogą uniknąć turbulencji, a co za tym idzie strat energii w wielu obszarach, począwszy od systemu wodociągowego i kanalizacyjnego po wielkie międzykontynentalne ropo- i gazociągi.
To fascynujące móc obserwować tego typu przełomy w nauce. Być może okażą się niezbędne do przetrwania ludzkiego gatunku.
>>> Czytaj też: Najpotężniejsze paszporty świata. Niemcy na szczycie rankingu
