Terwijl orde vaak overgaat in chaos, is soms het omgekeerde waar. Turbulente vloeistof heeft bijvoorbeeld de neiging om spontaan een netjes patroon te vormen: parallelle strepen.
Hoewel natuurkundigen dit fenomeen experimenteel hadden waargenomen, kunnen ze nu uitleggen waarom dit gebeurt met behulp van fundamentele vloeistofdynamica-vergelijkingen, waardoor ze een stap dichterbij komen om te begrijpen waarom deeltjes zich op deze manier gedragen.
In het laboratorium, wanneer een vloeistof tussen twee parallelle platen wordt geplaatst die in tegengestelde richting van elkaar bewegen, wordt de stroom turbulent. Maar na een tijdje begint de turbulentie glad te strijken in een gestreept patroon. Het resultaat is een canvas van gladde en turbulente lijnen die onder een hoek met de stroming lopen (stel je voor dat de wind kleine golven in een rivier veroorzaakt).
"Je krijgt structuur en duidelijke orde in de chaotische beweging van turbulentie", zegt hoofdauteur Tobias Schneider, assistent-professor aan de technische school aan het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie Lausanne. Dit 'soort van raar en erg obscuur' gedrag heeft 'wetenschappers al heel lang gefascineerd'.
Natuurkundige Richard Feynman voorspelde dat de verklaring verborgen moet zijn in fundamentele vergelijkingen van vloeistofdynamica, de Navier-Stokes-vergelijkingen genoemd.
Maar deze vergelijkingen zijn erg moeilijk op te lossen en te analyseren, vertelde Schneider aan WordsSideKick.com. (Aantonen dat de Navier-Stokes-vergelijkingen zelfs op elk punt een vlotte oplossing hebben voor een 3D-vloeistof is een van de $ 1 miljoen Millenniumprijsproblemen.) Tot dusver wist niemand hoe de vergelijkingen dit patroonvormende gedrag voorspelden. Schneider en zijn team gebruikten een combinatie van methoden, waaronder computersimulaties en theoretische berekeningen, om een reeks 'zeer speciale oplossingen' voor deze vergelijkingen te vinden die wiskundig elke stap van de overgang van chaos naar orde beschrijven.
Met andere woorden, ze braken het chaotische gedrag af in de niet-chaotische bouwstenen en vonden oplossingen voor elk klein stukje. 'Het gedrag dat we waarnemen is geen mysterieuze fysica', zei Schneider. 'Het is op de een of andere manier verborgen in standaardvergelijkingen die de vloeistofstroom beschrijven.'
Dit patroon is belangrijk om te begrijpen, omdat het laat zien hoe de turbulente en de rust, ook wel bekend als 'laminaire stroming', met elkaar concurreren om hun uiteindelijke toestand te bepalen, volgens een verklaring. Wanneer dit patroon zich voordoet, zijn de turbulente en laminaire stromingen even sterk - zonder dat het touwtrekken wint.
Maar dit patroon wordt niet echt gezien in natuurlijke systemen, zoals turbulentie in de lucht. Schneider merkt op dat een patroon als dit eigenlijk "behoorlijk slecht" zou zijn voor het vliegtuig omdat het door een steiger van hobbelige turbulente en niet turbulente lijnen zou moeten vliegen.
Het belangrijkste doel van dit experiment was eerder om de fundamentele fysica van vloeistoffen in een gecontroleerde omgeving te begrijpen, zei hij. Alleen door de zeer eenvoudige bewegingen van vloeistoffen te begrijpen, kunnen we beginnen met het begrijpen van de meer complexe systemen van turbulentie die overal om ons heen bestaan, van de luchtstroom rond vliegtuigen tot de binnenkant van pijpleidingen, voegde hij eraan toe.
De onderzoekers publiceerden hun bevindingen op 23 mei in het tijdschrift Nature Communications.
