Para quem já observou as ondas do mar ou a água corrente, a turbulência pode parecer puro caos. Correntes poderosas giram e se agitam, criando redemoinhos que se dividem em redemoinhos cada vez menores até que sua energia seja finalmente dissipada.
Durante décadas, os cientistas acreditaram que este processo seguia um padrão previsível. Em ambientes tridimensionais, como os oceanos e a atmosfera, acredita-se que a energia flui de estruturas maiores para estruturas menores. Novas pesquisas sugerem que a regra pode não ser tão fixa como se pensava anteriormente.
Pesquisadores da Universidade de Pittsburgh, trabalhando com colaboradores da Universidade de Torino, na Itália, descobriram que a direção do fluxo de energia na turbulência pode, na verdade, ser invertida. Suas descobertas, publicadas em Conquistas da ciência em “Manipulando a direção do fluxo turbulento de energia através da geometria tensorial em fluxo bidimensional” pode ter implicações para a medicina, gestão costeira e ciências climáticas.
Desafiando a teoria fundamental da turbulência
O trabalho foi liderado por Lei Fang, professor associado de engenharia civil e ambiental na Escola de Engenharia Pete Swanson, juntamente com os pós-doutorados Xinyu Xi, Philippe De Lille e Guido Buffett.
“Desde 1941, o fluxo de energia foi previsto a partir da pesquisa de Andrei Kolmogorov. Em fluxos 3D, como em corpos d’água, a energia se move de escalas maiores para escalas menores. Para fluxos 2D que ocorrem em finas camadas de água, esse fluxo muda de menor para maior”, disse Fang.
Para descobrir se esse comportamento poderia ser mudado, Fang abordou o problema de uma perspectiva diferente.
“Para compreender este conceito abstrato em diferentes escalas”, acrescentou Fang, “transformei o processo de fluxo de energia em um processo mecânico baseado nas equações de Navier-Stokes. E como é um processo mecânico, eu poderia tentar alterá-lo alterando a geometria entre o deslocamento e a força.”
Sua abordagem baseava-se em tensores, objetos matemáticos comumente usados para descrever quantidades como tensão e deformação. Essas 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 ser redirecionado em vez de seguir o caminho tradicionalmente esperado.
“Mostramos que podemos criar fluxos turbulentos que exibem fluxo de energia direto ou reverso”, disse Fang. “Nossa estrutura também se estende à escala 3D.”
Experimentos confirmam a teoria
A ideia baseia-se no trabalho anterior de Fang, que mostra que pequenos nadadores podem perturbar poderosas correntes oceânicas. No novo estudo, ele mudou seu foco para o próprio fluxo de fundo e como ele interage com forças externas.
Os pesquisadores descobriram que quando essas forças estão alinhadas de uma certa maneira, elas podem mudar a forma como a energia se move através de um sistema turbulento.
Para testar a teoria, Fang e Xi conduziram experimentos de laboratório usando uma fina camada de água movida por forças eletromagnéticas. Um campo magnético horizontal criou um fluxo bidimensional, enquanto uma série de hastes foi usada para interrompê-lo. Os rastreadores suspensos em uma fina camada de eletrólito permitiram à equipe visualizar e medir o movimento do fluido.
Os resultados experimentais concordam com as simulações computacionais e confirmam as previsões da nova estrutura.
Aplicações potenciais: dos oceanos à medicina
A capacidade de influenciar o fluxo turbulento de energia pode eventualmente proporcionar benefícios práticos em diversos campos.
“Com esta estrutura teórica, descobrimos que podemos usar limites físicos tão pequenos quanto dez metros para quebrar barreiras de transporte oceânico que se estendem por quilómetros”, disse Fang. “A direção do fluxo de energia pode ser alterada, o que pode melhorar a forma como o esgoto e 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 com menos de um milímetro de tamanho. Nesta escala, os fluidos tendem a se misturar mal porque a turbulência está praticamente ausente.
“Em fluxos microfluídicos de menos de um milímetro, onde a viscosidade do fluido dificulta a mistura porque há pouca ou nenhuma turbulência”, acrescentou Fang, “poderíamos equilibrar as forças e o deslocamento para criar ‘turbulência de baixo número de Reynolds’ fraca, o que poderia acelerar a mistura do agente.”
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 importante na regulação das temperaturas globais. À medida que as alterações climáticas alteram os padrões dos ventos e o comportamento dos oceanos, as forças que actuam sobre estes sistemas também podem afectar a forma como a energia se move através de fluxos turbulentos.
“Embora seja hipotético neste momento, a pesquisa poderia melhorar a modelagem climática”, disse Fang. “À medida que as alterações climáticas alteram os padrões do vento e as correntes oceânicas, as tensões e correntes do vento podem mudar a direção do fluxo de energia. Compreender as forças que criam estas mudanças pode levar a modelos mais precisos.”
Embora sejam necessárias mais pesquisas, o estudo sugere que um dos pressupostos mais bem estabelecidos da teoria da turbulência pode ser mais flexível do que os cientistas pensavam. Em vez de simplesmente seguir caminhos predeterminados, a energia turbulenta pode ser direcionada e redirecionada nas condições certas.
