Mientras que el orden a menudo se convierte en caos, a veces lo contrario es cierto. El fluido turbulento, por ejemplo, tiende a formar espontáneamente un patrón ordenado: rayas paralelas.
Aunque los físicos habían observado este fenómeno experimentalmente, ahora pueden explicar por qué sucede esto usando ecuaciones fundamentales de dinámica de fluidos, acercándolos un paso más a comprender por qué las partículas se comportan de esta manera.
En el laboratorio, cuando se coloca un fluido entre dos placas paralelas que se mueven en direcciones opuestas entre sí, su flujo se vuelve turbulento. Pero después de un tiempo, la turbulencia comienza a suavizarse en un patrón de rayas. Lo que resulta es un lienzo de líneas suaves y turbulentas que se extienden en ángulo con respecto al flujo (imagine pequeñas olas creadas por viento en un río).
"Se obtiene estructura y un orden claro del movimiento caótico de la turbulencia", dijo el autor principal Tobias Schneider, profesor asistente en la escuela de ingeniería del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Lausana. Este "tipo de comportamiento extraño y muy oscuro" ha "fascinado a los científicos durante mucho, mucho tiempo".
El físico Richard Feynman predijo que la explicación debe ocultarse en ecuaciones fundamentales de dinámica de fluidos, llamadas ecuaciones de Navier-Stokes.
Pero estas ecuaciones son muy difíciles de resolver y analizar, dijo Schneider a Live Science. (Mostrar que las ecuaciones de Navier-Stokes incluso tienen una solución uniforme en cada punto para un fluido 3D es uno de los problemas del Premio del Milenio de $ 1 millón). Entonces, hasta este punto, nadie sabía cómo las ecuaciones predecían este comportamiento de formación de patrones. Schneider y su equipo utilizaron una combinación de métodos, incluidas simulaciones por computadora y cálculos teóricos para encontrar un conjunto de "soluciones muy especiales" a estas ecuaciones que describen matemáticamente cada paso de la transición del caos al orden.
En otras palabras, dividieron el comportamiento caótico en sus bloques de construcción no caóticos y encontraron soluciones para cada fragmento pequeño. "El comportamiento que observamos no es física misteriosa", dijo Schneider. "De alguna manera está oculto en ecuaciones estándar que describen el flujo de fluidos".
Es importante entender este patrón porque muestra cómo la turbulencia y la calma, también conocida como "flujo laminar", compiten entre sí para determinar su estado final, según un comunicado. Cuando se produce este patrón, los flujos turbulentos y laminares tienen la misma fuerza, sin que ningún bando gane el tira y afloja.
Pero este patrón no se ve realmente en los sistemas naturales, como la turbulencia en el aire. Schneider señala que un patrón como este en realidad "sería bastante malo" para el avión porque tendría que volar a través de un andamio de líneas turbulentas y no turbulentas.
Más bien, el objetivo principal de este experimento era comprender la física fundamental de los fluidos en un ambiente controlado, dijo. Solo comprendiendo los movimientos muy simples de los fluidos podemos comenzar a comprender los sistemas más complejos de turbulencia que existen en todas partes a nuestro alrededor, desde el flujo de aire alrededor de los aviones hasta el interior de las tuberías, agregó.
Los investigadores publicaron sus hallazgos el 23 de mayo en la revista Nature Communications.
