Físicos inverteram o fluxo de energia na turbulência e dobraram uma regra de 80 anos

Numa fina lâmina de água girando em redemoinhos, físicos fizeram a energia correr ao contrário. Em vez de descer para redemoinhos cada vez menores, ou de subir para outros cada vez maiores, o escoamento fez o que os pesquisadores escolheram, conforme arranjavam as forças que o agitavam. O resultado desafia uma suposição que molda a física dos fluidos há mais de oitenta anos.

Há mais de oitenta anos a imagem aceita da turbulência é uma cascata de mão única. Nos escoamentos tridimensionais de um rio ou do oceano aberto, pensava-se que a energia descia de modo constante dos grandes redemoinhos para os pequenos, onde por fim se dissipa em calor. Em camadas finas, quase bidimensionais, acreditava-se que a cascata se invertia e que os redemoinhos pequenos alimentavam os maiores. De um jeito ou de outro, o sentido parecia fixado pela geometria do espaço em que o fluido vivia.

O novo trabalho desprende esse sentido das dimensões do escoamento. O que fixa a direção, descobriram os pesquisadores, é o alinhamento entre duas grandezas em cada ponto do fluido: a tensão que o comprime e a deformação que ele sofre em resposta. Ajuste o ângulo entre força e deslocamento e a energia pode ser empurrada para cima ou para baixo na escala. A forma do recipiente deixa de ser um destino.

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Para mostrar isso, a equipe agitou com forças magnéticas uma camada rasa de líquido condutor de eletricidade, salpicou-a com partículas traçadoras e filmou como elas se moviam. Ao remodelar o padrão de forçamento, produziu escoamentos com transferência de energia para a frente e escoamentos com transferência inversa no mesmo aparato. Simulações de computador do mesmo arranjo reproduziram a virada, o tipo de concordância que transforma uma imagem surpreendente numa medição.

Controlar a cascata tem alcance prático. O sentido em que a energia flui num fluido governa como as coisas se espalham por ele, então direcioná-lo poderia mudar como uma costa dispersa uma pluma de esgoto, como um chip de microfluídica mistura volumes minúsculos para um exame médico, ou como a energia se move pelos escoamentos em camadas que os modelos climáticos tentam captar.

A demonstração vive num sistema cuidadosamente controlado e essencialmente bidimensional, não na turbulência tridimensional e caótica de uma tempestade ou de uma corrente profunda. Se esse mesmo controle do sentido sobrevive em escoamentos plenamente tridimensionais e de alta energia é uma pergunta em aberto, e o salto de uma bandeja de laboratório para o oceano é grande. O princípio fica estabelecido; seu alcance, não.

A pesquisa foi conduzida por uma equipe liderada a partir da Universidade de Pittsburgh, em colaboração com a Universidade de Turim, e foi publicada na revista Science Advances. O próximo passo do grupo é testar até onde vai o controle por alinhamento de tensores à medida que os escoamentos ficam mais espessos e mais energéticos, o regime em que vive de fato quase toda a turbulência real.

Tags: física

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