Para quem já viu ondas ou água em movimento rápido, a turbulência parece puro caos. As poderosas correntes giram e se agitam, criando redemoinhos que se transformam em redemoinhos cada vez menores até que sua energia seja finalmente perdida.
Durante décadas, os cientistas acreditaram que este processo segue um padrão previsível. Em ambientes tridimensionais, como o oceano e a atmosfera, acredita-se que a energia seja transferida de estruturas maiores para estruturas menores. Uma nova pesquisa sugere que as regras podem não ser tão imutáveis como se pensava anteriormente.
Pesquisadores da Universidade de Pittsburgh, trabalhando com colaboradores da Universidade de Turim, na Itália, descobriram que a direção do fluxo de energia em fluxos turbulentos pode, na verdade, ser alterada. Suas descobertas foram publicadas em progresso científico No artigo, “Manipulando a direção do fluxo turbulento de energia através da geometria tensorial em fluxos bidimensionais”, pode haver implicações para a medicina, gestão costeira e ciências climáticas.
Desafiando teorias fundamentais de turbulência
O trabalho foi liderado por Lei Fang, professor assistente do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da Escola de Engenharia Pitt Swanson, e pelos alunos de doutorado Xinyu Si, Filippo De Lillo e Guido Boffetta.
“O fluxo de energia foi previsto desde 1941 pela pesquisa de Andrey Kolmogorov. Em fluxos 3D como a água, a energia flui de escalas maiores para escalas menores. Para fluxos 2D que ocorrem em camadas finas de água, o fluxo de energia é o oposto, de escalas menores para escalas maiores”, disse Fang.
Para investigar se esse comportamento poderia ser mudado, Fang abordou o problema de um ângulo diferente.
“Para compreender este conceito abstrato em diferentes escalas”, acrescentou Fang, “reconverti o processo de fluxo de energia em um processo mecânico baseado nas equações de Navier-Stokes. Como este é um processo mecânico, eu poderia tentar revertê-lo alterando a geometria entre deslocamento e força.”
Seu método se baseia em tensores, objetos matemáticos comumente usados para descrever quantidades como tensão e deformação. Estas propriedades desempenham um papel importante na formação de turbulência.
Ao desenvolver uma estrutura geométrica baseada no alinhamento de tensores, Fang descobriu que a direção da transferência de energia depende de como esses tensores interagem. Sob certas condições, o fluxo de energia pode mudar de direção em vez de seguir o caminho tradicionalmente esperado.
“Mostramos que podemos gerar turbulência que exibe fluxo de energia direto ou reverso”, disse Fang. “Nossa estrutura também se estende à escala 3D.”
Experimentos confirmaram a teoria
A ideia baseia-se na investigação anterior de Fang, que mostrou que pequenos nadadores podem perturbar poderosas correntes oceânicas. Neste novo estudo, ele voltou sua atenção para o próprio fluxo de fundo e como ele interage com forças externas.
Os investigadores descobriram que quando estas forças se combinam de formas específicas, podem mudar a forma como a energia se move num sistema turbulento.
Para testar esta teoria, Fang e Si conduziram experiências de laboratório utilizando finas camadas de água impulsionadas por forças eletromagnéticas. Um campo magnético horizontal cria um fluxo bidimensional, enquanto uma série de hastes é usada para interrompê-lo. Partículas traçadoras suspensas em uma fina camada de eletrólito permitiram à equipe visualizar e medir o movimento do fluido.
Os resultados experimentais são consistentes com simulações computacionais e apoiam as previsões da nova estrutura.
Aplicações potenciais dos oceanos à medicina
A capacidade de influenciar fluxos turbulentos de energia poderia, em última análise, levar a benefícios práticos em diversos campos.
“Com esta estrutura teórica, descobrimos que podemos usar pequenas fronteiras físicas de até dez metros de comprimento para romper barreiras de transporte oceânico que se estendem por vários quilômetros”, disse Fang. “É possível mudar a direção do fluxo de energia, o que poderia melhorar a forma como as águas residuais ou outros poluentes são dispersos ao longo da costa.”
As descobertas também podem ser úteis na medicina, particularmente em sistemas microfluídicos onde os fluidos se movem através de canais menores que um milímetro. Nesta escala, os líquidos tendem a misturar-se mal porque a turbulência é essencialmente inexistente.
“Em microfluídica menor que um milímetro, onde a viscosidade do líquido dificulta a mistura porque quase não há turbulência, podemos ajustar as forças e deslocamentos para criar uma ‘turbulência de baixo número de Reynolds’ fraca, que pode acelerar a mistura dos reagentes, “Fang acrescentou.
Implicações para a modelagem climática
A pesquisa também poderá contribuir para melhorias futuras na modelagem climática.
As correntes oceânicas e a circulação atmosférica desempenham um papel fundamental na regulação das temperaturas globais. À medida que as alterações climáticas alteram os padrões dos ventos e o comportamento dos oceanos, as forças que atuam nestes sistemas também podem afetar a forma como a energia se move através da turbulência.
“Embora isto seja hipotético neste momento, esta investigação poderia melhorar os modelos climáticos”, disse Fang. “À medida que as alterações climáticas alteram os padrões dos ventos e os fluxos oceânicos, a tensão do vento e as correntes oceânicas podem mudar a direção dos fluxos de energia. Compreender as forças que causam esta mudança pode levar a modelos mais precisos.”
Embora sejam necessárias mais pesquisas, o estudo sugere que uma das suposições mais estabelecidas da teoria da turbulência pode ser mais flexível do que os cientistas pensavam. A energia turbulenta pode ser canalizada e redirecionada nas condições certas, em vez de simplesmente seguir um caminho predeterminado.
