Mentre l'ordine spesso si trasforma nel caos, a volte è vero il contrario. Il fluido turbolento, ad esempio, ha la tendenza a formare spontaneamente uno schema ordinato: strisce parallele.
Sebbene i fisici abbiano osservato questo fenomeno a livello sperimentale, ora possono spiegare perché ciò accade utilizzando le equazioni della dinamica dei fluidi fondamentali, avvicinando loro di più il motivo per cui le particelle si comportano in questo modo.
In laboratorio, quando un fluido viene posizionato tra due piastre parallele che si muovono in direzioni opposte l'una dall'altra, il suo flusso diventa turbolento. Ma dopo un po ', la turbolenza inizia a attenuarsi in uno schema a strisce. Ciò che ne risulta è una tela di linee morbide e turbolente che scorrono ad angolo rispetto al flusso (immagina lievi onde create dal vento in un fiume).
"Ottieni struttura e chiaro ordine dal caotico movimento della turbolenza", ha detto l'autore senior Tobias Schneider, assistente professore alla scuola di ingegneria presso l'Istituto Federale Svizzero di Tecnologia di Losanna. Questo "tipo di comportamento strano e molto oscuro" ha "affascinato gli scienziati per molto, molto tempo".
Il fisico Richard Feynman predisse che la spiegazione doveva essere nascosta nelle equazioni fondamentali della dinamica dei fluidi, chiamate equazioni di Navier-Stokes.
Ma queste equazioni sono molto difficili da risolvere e analizzare, ha detto Schneider a Live Science. (Mostrare che le equazioni di Navier-Stokes hanno persino una soluzione uniforme in ogni punto per un fluido 3D è uno dei problemi del premio del Millennio da $ 1 milione.) Fino a questo punto, nessuno sapeva come le equazioni predissero questo comportamento formativo. Schneider e il suo team hanno usato una combinazione di metodi, tra cui simulazioni al computer e calcoli teorici per trovare una serie di "soluzioni molto speciali" per queste equazioni che descrivono matematicamente ogni passaggio del caos dall'ordine.
In altre parole, hanno spezzato il comportamento caotico nei suoi blocchi non caotici e hanno trovato soluzioni per ogni piccolo pezzo. "Il comportamento che osserviamo non è fisica misteriosa", ha detto Schneider. "È in qualche modo nascosto nelle equazioni standard che descrivono il flusso del fluido."
Questo modello è importante da capire perché mostra come il turbolento e la calma, altrimenti noto come "flusso laminare", competono tra loro per determinare il suo stato finale, secondo un'affermazione. Quando si verifica questo schema, i flussi turbolenti e laminari sono uguali in termini di forza, senza che nessuna squadra vinca il tiro alla fune.
Ma questo schema non si vede davvero nei sistemi naturali, come la turbolenza nell'aria. Schneider nota che un modello come questo sarebbe in realtà "piuttosto brutto" per l'aereo perché dovrebbe volare attraverso un ponteggio di linee turbolente e non turbolente.
Piuttosto, l'obiettivo principale di questo esperimento era comprendere la fisica fondamentale dei fluidi in un ambiente controllato, ha affermato. Solo comprendendo i movimenti molto semplici dei fluidi possiamo iniziare a comprendere i sistemi più complessi di turbolenza che esistono ovunque intorno a noi, dal flusso d'aria attorno agli aeroplani all'interno delle condutture, ha aggiunto.
I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati il 23 maggio sulla rivista Nature Communications.
