Fisici hanno invertito il flusso di energia nella turbolenza, piegando una regola di 80 anni

In un sottile strato d’acqua in vortice, alcuni fisici hanno fatto scorrere l’energia al contrario. Invece di scendere verso vortici sempre più piccoli, o di salire verso vortici sempre più grandi, il flusso faceva ciò che i ricercatori sceglievano, a seconda di come disponevano le forze che lo agitavano. Il risultato sfida un’assunzione che plasma la fisica dei fluidi da oltre ottant’anni.

Da oltre ottant’anni l’immagine corrente della turbolenza è una cascata a senso unico. Nei flussi tridimensionali di un fiume o dell’oceano aperto si pensava che l’energia scendesse in modo costante dai grandi vortici ai piccoli, dove infine si dissipa in calore. Negli strati sottili, quasi bidimensionali, si credeva che la cascata si invertisse e che i piccoli vortici alimentassero i più grandi. In ogni caso la direzione sembrava fissata dalla geometria dello spazio in cui viveva il fluido.

Il nuovo lavoro stacca quella direzione dalle dimensioni del flusso. Ciò che fissa il verso, hanno scoperto i ricercatori, è l’allineamento tra due grandezze in ogni punto del fluido: lo sforzo che lo comprime e la deformazione che subisce in risposta. Regola l’angolo tra forza e spostamento e l’energia può essere spinta su o giù lungo la scala. La forma del recipiente smette di essere un destino.

Letture consigliateI fisici vedono per la prima volta gli atomi di un cristallo invertire la rotazione

Per dimostrarlo, il gruppo ha agitato con forze magnetiche un sottile strato di liquido conduttore di elettricità, lo ha cosparso di particelle traccianti e ne ha filmato i movimenti. Rimodellando lo schema di forzamento, ha prodotto flussi con trasferimento di energia in avanti e flussi con trasferimento inverso nello stesso apparato. Le simulazioni al computer dello stesso montaggio hanno riprodotto il ribaltamento, il tipo di accordo che trasforma un’immagine sorprendente in una misura.

Controllare la cascata ha una portata concreta. La direzione in cui scorre l’energia in un fluido governa come le cose si diffondono al suo interno, quindi guidarla potrebbe cambiare come una costa disperde un pennacchio di acque reflue, come un chip microfluidico mescola volumi minuscoli per un test medico, o come l’energia si muove nei flussi a strati che i modelli climatici cercano di catturare.

La dimostrazione vive in un sistema accuratamente controllato ed essenzialmente bidimensionale, non nella turbolenza tridimensionale e caotica di una tempesta o di una corrente profonda. Se la stessa presa sulla direzione sopravviva in flussi pienamente tridimensionali e ad alta energia è una domanda aperta, e il salto da una vaschetta di laboratorio all’oceano è grande. Il principio è ormai stabilito; la sua portata no.

La ricerca è stata condotta da un gruppo guidato dall’Università di Pittsburgh, in collaborazione con l’Università di Torino, ed è stata pubblicata sulla rivista Science Advances. Il passo successivo del gruppo è verificare fin dove arriva il controllo per allineamento dei tensori man mano che i flussi diventano più spessi e più energetici, il regime in cui vive davvero la maggior parte della turbolenza reale.

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