Air yang mengalir dari keran biasa menceritakan kisah yang rumit: perjalanan air melalui pipa. Di bawah tekanan tinggi dan kecepatan tinggi, semburan air dari keran bergolak: kacau dan tidak teratur, persis seperti gelombang yang menghantamnya. Dibandingkan dengan aliran laminar yang teratur, seperti aliran keran yang stabil pada tekanan rendah dan kecepatan rendah, para ilmuwan hanya tahu sedikit tentang turbulensi. Sedikit yang diketahui tentang bagaimana aliran laminar menjadi turbulen. Aliran transisi adalah campuran antara aliran teratur dan aliran tidak teratur Aliran transisi terjadi ketika fluida bergerak dengan kecepatan sedang.
Sekarang, Dr. Rory Cerbus, Dr. Liu Chien-chia, Dr. Gustavo Gioia, dan Dr. Pinaki Chakraborty dari Sekolah Pascasarjana Mekanika Fluida dan Fisika Kontinum (OIST) dari Universitas Sains dan Teknologi Okinawa (OIST) Menyerap metode baru untuk mempelajari aliran transisi, dan temuannya yang diterbitkan dalam jurnal "Science Advances" dapat membantu untuk memiliki pemahaman yang lebih komprehensif dan konseptual tentang aliran transisi dan turbulensi, serta memperoleh teknik praktis aplikasi. Turbulensi sering disebut-sebut sebagai masalah terakhir yang belum terpecahkan dalam fisika klasik, karena turbulensi memiliki makna misteri tertentu.
Menemukan peringkat dalam kekacauan
Namun, dalam kondisi ideal, kami memiliki teori konseptual yang membantu menjelaskan turbulensi. Dalam penelitian, para ilmuwan mencoba memahami apakah teori konseptual ini mungkin juga memiliki implikasi untuk aliran transisi. Para ilmuwan telah lama tertarik dengan turbulensi. Pada abad ke-15, Leonardo da Vinci menggambarkan turbulensi sebagai kumpulan pusaran atau sirkulasi dalam berbagai ukuran. Berabad-abad kemudian, pada tahun 1941, matematikawan Andrei Kolmogorov mengembangkan teori konseptual yang mengungkapkan urutan di balik energetika pusaran yang tampaknya tidak teratur. Seperti yang digambarkan dalam sketsa Da Vinci: anak sungai yang dilempar ke dalam kolam pada awalnya akan membentuk pusaran air yang sangat besar.
Pusaran ini akan segera menjadi tidak stabil dan terpecah menjadi pusaran yang lebih kecil secara bertahap. Perpindahan energi dari pusaran besar ke pusaran kecil dan kecil, sampai pusaran terkecil membuang energi melalui viskositas air. Dengan menangkap gambar ini dalam bahasa matematika, teori Kolmogorov memprediksi spektrum energi, yang merupakan fungsi yang menggambarkan bagaimana energi kinetik didistribusikan di antara pusaran-pusaran dengan ukuran yang berbeda. Yang penting, energi pusaran kecil ada di mana-mana, yang berarti bahwa meskipun turbulensi mungkin terlihat berbeda, pusaran terkecil di semua turbulensi memiliki spektrum energi yang sama. Konsep sederhana seperti itu dapat dengan elegan memperjelas masalah yang tampaknya sulit, yang sungguh luar biasa.
Tapi ada masalah, teori Kolmogorov secara luas dianggap dapat diterapkan hanya untuk sebagian kecil dari aliran ideal, dan tidak untuk aliran kehidupan sehari-hari, termasuk aliran transisi. Untuk mempelajari aliran transisi ini, percobaan dilakukan pada air yang mengalir melalui pipa silinder kaca dengan panjang 20 meter dan diameter 2,5 cm. Para peneliti menambahkan partikel berlubang kecil dengan kepadatan yang kurang lebih sama dengan air, memungkinkan mereka untuk memvisualisasikan aliran. Penelitian tersebut juga menggunakan teknologi yang disebut laser Doppler velocimeter untuk mengukur kecepatan arus eddy pada aliran pipa transisi. Berdasarkan kecepatan yang diukur ini, spektrum energi dihitung. Anehnya, para peneliti menemukan bahwa meski terlihat sangat berbeda dengan turbulensi.
Namun, spektrum energi yang sesuai dengan pusaran kecil dalam aliran transisi konsisten dengan spektrum energi umum dalam teori Kolmogorov. Penemuan ini tidak hanya memberikan pemahaman konseptual baru tentang aliran transisi, tetapi juga memiliki aplikasi di bidang teknik. Penelitian dalam dua dekade terakhir menunjukkan bahwa spektrum energi dapat membantu memprediksi gesekan antara aliran air dan pipa, yang menjadi perhatian utama para insinyur. Semakin besar gesekan pada pipa, semakin sulit untuk memompa dan mengangkut cairan seperti minyak. Penelitian ini menggabungkan ide matematika esoterik dengan faktor-faktor yang menjadi perhatian para insinyur, dan juga menemukan bahwa teori Kolmogorov memiliki penerapan yang lebih luas daripada yang dibayangkan siapa pun. Ini adalah urutan turbulensi dan transisi ke turbulensi. Wawasan baru yang menarik!
Taman Brokat Penelitian / Dari: Universitas Sains dan Teknologi Okinawa
Jurnal referensi "Science Progress"
DOI: 10.1126 / sciadv.aaw6256
Taman Brocade Sains, Teknologi, Riset Ilmiah, Sains Populer
- Bagaimana melakukan? Perubahan iklim dan aktivitas manusia menyebabkan runtuhnya keanekaragaman hayati dan ekosistem
- Ditemukan bahwa galaksi lentikuler memiliki aktivitas pembentukan bintang bahkan setelah pembentukan bintang besar
- Diketahui bahwa radius Betelgeuse mengalami peningkatan sebesar 9%. Jika meledak akan lebih terang dari bulan purnama yang terlihat pada siang hari.
- Karyawan memeriksa suhu tubuh mereka sebelum memulai pekerjaan mereka, memperkuat desinfeksi kereta dan stasiun ... Chongqing Rail Group semakin memperkuat pencegahan dan pengendalian keselamatan
- Publisitas pencegahan epidemi inti keras di Dongguan menjadi populer, banyak bangunan dinyalakan untuk membentuk slogan, dan warganet dari seluruh negeri menyerukan operasi penyalinan.