חשיפת סודות הטבע: כיצד "צמיגות מוזרה" הופכת כאוס סוער לדפוסים

פיזיקאים הדגימו את הופעתן של דפוסים מכאוס בנוזלים סוערים.

התנועה הסוערת של נהר גועש או היציאה ממנוע סילון היא כאוטית: כלומר, היא אינה מכילה תבנית ברורה.

אבל לפי מחקר חדש, דפוסים קבועים יכולים לצוץ מהתנועה הסוערת של נוזלים. מה שאתה צריך הוא תכונה מסקרנת הנקראת "צמיגות מוזרה" המתעוררת בתנאים מסוימים, כגון כאשר החלקיקים בנוזל מסתובבים כולם באותו כיוון. למרות שמדובר בנסיבות מיוחדות, ישנם הקשרים רבים בטבע שבהם עשויה להתקיים גרסה של אפקט זה, כגון בעטרה של השמש ורוח השמש.

"האפקט המפתיע הזה עשוי להוסיף לארגז הכלים ההולך וגדל כדי לשלוט ולעצב את המערבולת", אמר מישל פרוכטר, לשעבר חוקר פוסט-דוקטורט ב-UCChicago, כיום סגל ב-Centre National de la Recherche Scientifique הצרפתי (CNRS) ושותף לכותב הראשון של המאמר. מתאר את הממצאים.

המחקר, שיתוף פעולה בין ה אוניברסיטת שיקגואוניברסיטת איינדהובן לטכנולוגיה בהולנד, ו-CNRS, פורסמו בכתב העת טֶבַע.

טבע כאוטי

למרות כמה שלמדנו על פיזיקה קלאסית במאות השנים האחרונות, יש בעיה אחת שעדיין מתנגדת להסבר מלא: התופעה הידועה בשם מערבולות. אף על פי שמערבולת מופיעה בכל יום סביבנו – מהעננים המתהפכים באטמוספירה מעלינו ועד לדם הזורם בכלי הדם שלנו – היא עדיין לא מובנת כמו תופעות פיזיקליות נפוצות אחרות.

"ערבולות עשויות להיות שגרתיות בטבע, אבל היא עדיין מובנת רק חלקית", אמר קסנדר דה וויט, מחבר ראשון שותף של הפרסום ודוקטור. סטודנט באוניברסיטת איינדהובן לטכנולוגיה.

זאת למרות העובדה שאם נוכל להבין את המערבולת ולשלוט בה, אולי נוכל להשיג פריצות דרך רבות; אולי נוכל לתכנן כנפי מטוסים, מנועים וטורבינות רוח יעילים יותר, למשל.

עם זאת, ישנם דברים שמדענים כן יודעים על מערבולות. אם תנער בקבוק מים, תראה נוצרות מערבולות. הם מתחילים בערך בגודל של אורך הבקבוק; ואז המערבולות מתפצלות למערבולות קטנות יותר, ואז שוב למערבולות קטנות יותר, וכך הלאה עד שהמערבולות מתפוגגות. זה ידוע בתור מפל. אבל אם תעשה את אותו הדבר אבל תגביל את המים לשכבה דקה, המערבולות במקום זאת יתמזגו ויצרו מערבולת אחת גדולה – הכתם האדום הגדול על צדקפני השטח של זה הם דוגמה לתופעה הזו, אמר פרוכטר.

קבוצת המדענים תהתה אם אפשר ליצור, ולהחזיק, מערבולות בגודל בינוני – לא מערבול אחד גדול, ולא קטן יותר ויותר.

התשובה היא כן – אם הנוזל שלך מציג תכונה הידועה במונח "צמיגות מוזרה".

צמיגות פירושה בדרך כלל מדידה של כמה קשה לערבב – למשל, קשה יותר לערבב צנצנת דבש לעומת צנצנת מים. בצמיגות רגילה, התנועה מפזרת את האנרגיה שהזרקתם לה על ידי ערבוב עם הכפית. אבל "צמיגות מוזרה" משנה את הדרך שבה חפצים נעים אבל לא לפזר אנרגיה. זה נראה בתנאים נדירים מסוימים במעבדה.

החוקרים בנו סימולציה שבה החלקיקים הציגו 'צמיגות מוזרה' – במקרה זה, על ידי כך שכל חלקיקי הנוזל מסתובבים כמו צמרות. לאחר מכן, על ידי התאמה של הפרמטרים, כמו כמה מהר החלקיקים מסתובבים, החוקרים מצאו הפתעה. בשלב מסוים, הם החלו לראות דפוסים במקום מערבולות אקראיות.

"הטריק, מצאנו, הוא ליצור מפל מעורב, שבו מערבולות גדולות נוטות להתפצל ומערבולות קטנות נוטות להתמזג", אמר פרוכטר. "אם אתה מקבל את האיזון בדיוק, אתה רואה דפוסים נוצרים."

"כשראינו לראשונה את ההשפעות האלה, לא הבנו לגמרי על מה אנחנו מסתכלים, אבל אפשר היה לראות שיש משהו שונה אפילו בעין בלתי מזוינת", אמר שותף במחקר ודוקטורט של UChicago. הסטודנטית טלי חאין. "היינו צריכים לפתח תיאוריה כדי להסביר את זה, וזה היה ממש מרגש".

למרות שלא כל החלקיקים בנוזלים מסתובבים כמו צמרות, יש דוגמאות בטבע. לדוגמה, אלקטרונים או גזים פוליאטומיים בשדה מגנטי אכן מתנהגים כך.

"בנוסף לשמש ולרוח השמש, ישנם הקשרים מגוונים שבהם עשויה להתקיים גרסה של אפקט זה, כולל זרימות אטמוספריות, פלזמות וחומר פעיל", אמר UChicago פרופ' Vincenzo Vitelli, אחד הכותבים הבכירים בעיתון.

כשהמדענים עובדים לפיתוח הבנה מלאה יותר של הממצאים שלהם, הם מקווים שזה יוביל להבנה טובה יותר של יחסי הגומלין בין מערבולות וגלים בזרימות סוערות.

"אנחנו רק בהתחלה," אמר ויטלי, "אבל אני מוקסם מהרעיון שאתה יכול לקחת מצב סוער שהוא התגלמות הכאוס, ולהשתמש בו כדי ליצור דפוסים – זה שינוי עמוק שנעשה רק על ידי פיתול בקנה מידה הקטן ביותר."