과학자들은 일련의 오랜 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있는 물 탱크에 밀폐된 난류 공을 만들었습니다. 난류는 우리 주변에 있습니다. 난기류는 라떼에 담긴 커피와 우유의 소용돌이부터 비행기 날개와 자동차 측면에 가해지는 공기 역학적 힘, 심지어 밸브가 닫힌 후 심장의 혈액 흐름까지 모든 곳에 존재합니다. 그러나 우리는 아직 그 모든 것을 완전히 이해하지 못합니다.
한 가지 걸림돌은 현상을 외부 요인과 분리하여 연구하기를 좋아하는 물리학자들의 전통적인 접근 방식입니다. 그러나 난류의 경우 액체 한 잔을 휘젓는 것과 마찬가지로 숟가락은 여전히 프로세스의 필수적인 부분이며 유체의 거동에 영향을 미칩니다. 현재까지 난류를 독립 변수로 분리하는 방법은 찾기 어렵습니다.
그러나 시카고 대학의 과학자 팀은 물탱크에 난류를 억제하는 방법을 개척했습니다. 그들은 고립된 난류의 "공"이 형성되고 지속될 때까지 환형 흐름을 분사하기 위해 환형 제트를 사용했습니다.
Nature Physics에 발표된 이번 발견을 설명하는 연구의 첫 번째 저자인 물리학자 Takumi Matsuzawa는 "이것은 우리에게 놀라운 일이었습니다."라고 말했습니다. 이번 연구의 교신 저자인 윌리엄 어바인(William Irvine) 교수는 "마치 들판에 조용히 앉아 소풍을 즐기며 50피트 떨어진 곳에서 폭풍우가 몰아치는 것을 지켜보는 것과 같다"고 말했습니다.
그들은 이 돌파구가 난기류를 더 잘 이해하기 위한 새로운 연구의 길을 열어줄 것이라고 기대하고 있습니다.
"난류(이질적인 혼합물에서 물질의 혼란스러운 흐름)는 오래된 문제입니다"라고 Owen은 말했습니다. "이것은 물리학에서 해결되지 않은 가장 큰 문제 중 하나로 자주 인용됩니다."
지난 수십 년 동안 과학자들은 "이상적인" 난류 조건의 동작을 설명하는 데 진전을 이루었습니다. 즉, 난류에는 경계, 강도 및 시간의 변화와 같은 혼란스러운 변수가 없습니다. 그러나 현실 세계의 난기류에 대해 알아야 할 것이 훨씬 더 많습니다.
"난류는 우리 주변에 있지만 물리학자들이 만족스러운 설명이라고 생각하는 것에서는 파악하기 어렵습니다."라고 Owen은 말했습니다. "예를 들어, 이 격동적인 영역에 구멍을 뚫으면 다음에 어떤 일이 일어날지 예측할 수 있습니까? 대답은 '아니요'입니다. 슈퍼컴퓨터도 마찬가지입니다."
한 가지 큰 문제는 실험에 혼란스러운 변수가 존재한다는 것입니다. 파이프를 통해 물을 빠르게 뿌리거나 탱크의 패들을 교반하여 난류를 만들 수 있지만 난류는 항상 용기의 벽과 교반기의 벽에 마찰을 일으켜 실험 결과에 영향을 미칩니다.
마츠자와(Matsuzawa), 오웬(Owen) 및 동료들은 연기 고리와 유사하지만 물 속에서 물 탱크에서 "소용돌이 고리" 실험을 수행해 왔습니다. 그들이 난류를 만들기 위해 그것들을 결합하려고 할 때, 에너지는 일반적으로 다시 튀어오른 다음 소멸됩니다.
그러나 그들이 특별한 구성, 즉 8개의 모서리가 있고 각 모서리에 소용돌이 고리 생성기가 있는 상자를 발견하자 이상한 일이 일어났습니다. 중앙에서 만나는 고리를 반복적으로 발사하면서 그들은 상자 벽에서 멀리 떨어진 곳에 독립적인 난류 공이 형성되는 것을 보았습니다.
이는 그 자체로 획기적인 일이었습니다. "이전에는 누구도 이것이 가능하다고 생각하지 않았습니다. 난류는 액체를 혼합하는 데 매우 효과적입니다. 우유를 커피에 섞으면 완전히 혼합되기 전에 한두 번만 저어주면 되는데, 우리는 그것을 제자리에 유지할 수 있다는 것이 매우 놀랍습니다."
독립형 난류구를 사용하면 과학자들은 레이저와 여러 대의 고속 카메라를 사용하여 매개변수를 보다 정확하게 추적할 수 있습니다. 여기에는 에너지와 나선도(루프가 얼마나 엉키거나 "매듭"되어 있는지를 나타내는 척도)뿐만 아니라 충격량 및 각운동량(유체의 운동량 및 각운동량과 동일)이 포함됩니다.
게다가 매개변수를 변경하여 가지고 놀 수도 있습니다. 공급된 루프가 시계 방향 또는 시계 반대 방향 나선형인지 여부를 변경할 수 있습니다. 입력 에너지를 변경하거나 링 추가를 중단하고 난류가 소멸되는 것을 관찰하거나 링의 나선성을 변경하고 시간이 지남에 따라 난류가 어떻게 진화하는지 관찰할 수 있습니다.
"난기류는 어떻게 소멸됩니까? 어떻게 확장됩니까? 무엇을 '기억'합니까? 에너지는 어떻게 규모를 넘어 이동합니까? 다양한 유형의 난기류가 있습니까? 우리는 모든 종류의 질문을 할 수 있으며 이는 질문할 수 있는 독특한 환경입니다."라고 Owen은 말했습니다. "저는 이것이 우리가 이 분야에서 새로운 지평을 여는 데 도움이 되기를 진심으로 바랍니다.