Vârtejul dintr-un rezervor de apă dezvăluie turbulența undelor prezisă de mult timp
Când apa se scurge dintr-o cadă, deasupra scurgerii se formează adesea un vârtej, iar nucleul său îngust poate începe să oscileze și să se răsucească. Timp de aproape 150 de ani, fizicienii au prezis că aceste oscilații pot deveni turbulente, transferând energia de la ondulațiile mari la cele tot mai mici. Până acum, însă, această „turbulență a undelor Kelvin” nu fusese observată niciodată direct într-un experiment.
Într-o nouă cercetare publicată în Physical Review Letters, o echipă condusă de Eric Falcon de la Université Paris Cité a observat efectul folosind un vârtej controlat cu atenție într-un rezervor de apă.
Undele Kelvin, descrise prima dată în 1880
Undele Kelvin sunt ondulații în formă de tirbușon care se propagă de-a lungul nucleului unui vârtej. Descrise matematic pentru prima dată în 1880 de fizicianul scoțian Lord Kelvin, ele sunt considerate astăzi a juca un rol cheie în superfluide: lichide exotice, ultrareci, care curg fără nicio frecare. Când un superfluid este agitat, mișcarea sa de rotire se concentrează în încurcături de vârtejuri extrem de subțiri, care lansează unde Kelvin atunci când se intersectează și se reconectează.
În timpul acestor interacțiuni, teoria lui Kelvin prevede că undele ar trebui să transmită energia către ondulații tot mai scurte, până când aceasta poate în final să se disipeze sub formă de sunet. Deoarece superfluidele nu au frecare care să le încetinească, acest proces este considerat a fi modul în care turbulența lor se stinge în cele din urmă.
Totuși, pentru că vârtejurile pot avea lățimi de doar fracțiuni de nanometru în unele superfluide, ondulațiile lor sunt extrem de greu de urmărit în experimente.
Vârtejul dintr-un rezervor
Pentru a ocoli această problemă, echipa lui Falcon a analizat modul în care undele Kelvin se propagă de-a lungul oricărui vârtej, inclusiv al curgerilor mult mai mari din apa obișnuită. Pentru a observa efectul, cercetătorii au pompat continuu apă într-un rezervor cilindric și au lăsat-o să se scurgă printr-o gaură mică din baza acestuia, creând un vârtej lung și constant.
Folosind un inel poziționat în partea superioară a vârtejului, ei au agitat ușor capătul superior al acestuia într-un model aleatoriu. Între timp, au folosit o cameră de mare viteză pentru a filma nucleul vârtejului pe o mare parte din lungimea sa, ceea ce le-a permis să urmărească exact modul în care acesta s-a mișcat atât în spațiu, cât și în timp.
Confirmarea predicțiilor lui Kelvin
Imaginile au dezvăluit că energia furnizată de inelul care agita apa s-a răspândit de la ondulații mari și lente către unele mai mici și mai rapide, pe un interval de dimensiuni de aproximativ o sută de ori, cu o distribuție a energiei care corespundea îndeaproape predicțiilor teoriei turbulenței undelor Kelvin.
În mod crucial, echipa a identificat și mecanismul din spatele acestui transfer: ondulațiile au schimbat energie în grupuri de câte șase unde simultan, exact așa cum prezisese teoria.
Aceste rezultate oferă sprijin experimental mult așteptat pentru ideile pe care fizicienii le-au dezvoltat de-a lungul mai multor decenii. Dincolo de această validare, configurația echipei ar putea servi acum ca o platformă versatilă pentru studierea undelor Kelvin. Cu experimente mai precise în viitor, echipa lui Falcon este încrezătoare că cercetătorii ar putea explora scenarii mai complexe, cum ar fi situațiile în care multe vârtejuri interacționează între ele. Acest lucru ar putea ajuta fizicienii să înțeleagă mai bine turbulența în sisteme care variază de la superfluidele de laborator până la interiorul stelelor neutronice.
