Notícies
Inici  >  Notícies > Descobertes les propietats universals de la turbulència activa

Descobertes les propietats universals de la turbulència activa

Patró desordenat de remolins d’una mida característica. El codi de color indica l’orientació local del cristall líquid.

Patró desordenat de remolins d’una mida característica. El codi de color indica l’orientació local del cristall líquid.

Fluxos amb circulació a escales molt més grans que la mida característica del patró de vòrtex subjacent.

Fluxos amb circulació a escales molt més grans que la mida característica del patró de vòrtex subjacent.

02/04/2020

Recerca

Malgrat ser caòtics, els fluxos turbulents tenen propietats estadístiques universals. En els darrers anys s’han descobert fluxos aparentment turbulents en fluids actius com ara suspensions bacterianes, monocapes de cèl·lules epitelials i mescles de biopolímers i motors moleculars. En un nou estudi publicat a Nature Physics, investigadors de la Universitat de Barcelona, la Universitat de Princeton i del Col·legi de França han demostrat que els fluxos caòtics d’uns fluids anomenats nemàtics actius estan descrits per lleis d’escala universals diferents de les que regeixen els fluids clàssics.

 

La turbulència és omnipresent en la naturalesa, des dels fluxos de plasma a l’interior de les estrelles fins als fluxos atmosfèrics i oceànics de gran escala a la Terra, passant pels fluxos d’aire generats per un avió. Els fluxos turbulents són caòtics: creen remolins que constantment apareixen i es divideixen en remolins més petits. Tanmateix, quan aquest comportament caòtic s’estudia en un sentit estadístic, la turbulència segueix lleis universals d’escalat. Això significa que les propietats estadístiques de la turbulència són independents tant de la manera en què es generen els fluxos com de les propietats del fluid específic que estudiem, com ara la seva viscositat i densitat.

En el treball publicat a Nature Physics, els investigadors han reconsiderat aquesta noció d’universalitat en el context dels fluids actius. En la turbulència activa, els fluxos i remolins no són generats per l’acció d’un agent extern (com ara els gradients de temperatura a l’atmosfera), sinó pel mateix fluid actiu. La naturalesa activa d’aquests fluids es basa en la seva capacitat de generar forces internament, per exemple, a causa del moviment dels bacteris en una suspensió o de l’acció dels motors moleculars en biopolímers. 

«Quan aquestes forces actives són prou grans, el fluid comença a fluir espontàniament, alimentat per l’energia injectada pels processos actius», explica Ricard Alert, investigador postdoctoral de la Universitat de Princeton. Quan les forces actives són molt grans, els fluxos espontanis es converteixen en una barreja caòtica de remolins: és el que anomenem turbulència activa.

Els autors es van centrar en un tipus específic de fluid actiu: els cristalls líquids nemàtics actius bidimensionals, que descriuen sistemes experimentals com ara monocapes cel·lulars i suspensions de biopolímers i motors moleculars. A partir de simulacions de gran escala que van mostrar que els fluxos actius s’organitzen en un patró desordenat de remolins d’una mida característica (figura superior), els investigadors van estudiar els fluxos a escales molt més grans de la mida característica dels remolins (figura inferior). La conclusió a què van arribar és que les propietats estadístiques d’aquests fluxos a gran escala segueixen una llei d’escala diferent de la que segueixen els fluids clàssics.

«Vam demostrar que la llei d’escalat és universal, independent de les propietats específiques del fluid actiu», assenyala el catedràtic Jaume Casademunt, membre de l’Institut de Sistemes Complexos de la Universitat de Barcelona (UBICS). La nova llei d’escalat és l’equivalent en fluids actius a la que el matemàtic Andrei Kolmogórov va descobrir el 1941 per a la turbulència clàssica, però amb un exponent diferent que resulta de la combinació dels fluxos viscosos i el forçament intern autoorganitzat dels fluids actius.

Un altre resultat sorprenent d’aquesta recerca és que tota l’energia injectada per les forces actives a una certa escala es dissipa per l’efecte de la viscositat a aquella mateixa escala. Com a conseqüència, i a diferència de la turbulència clàssica, no queda energia que pugui transferir-se a altres escales. Tant en les simulacions com analíticament, «vam demostrar que un fluid nemàtic actiu pot autoorganitzar-se de manera que la injecció activa d’energia es compensi exactament amb la dissipació d’energia a cada escala», conclou Jean-François Joanny, del Col·legi de França.

Referència de l’article:
R. Alert, J.-F. Joanny, i J. Casademunt. «Universal scaling of active nematic turbulence». Nature Physics, març de 2020. Doi: 10.1038/s41567-020-0854-4

 

Comparteix-la a:
| Més |
  • Segueix-nos:
  • botó per accedir al facebook de la universitat de barcelona
  • botó per accedir al twitter de la universitat de barcelona
  • botó per accedir a l'instagram de la Universitat de Barcelona
  • botó per accedir al linkedin de la Universitat de Barcelona
  • botó per accedir al youtube de la universitat de barcelona
  • botó per accedir al google+ de la universitat de barcelona
  • ??? peu.flickr.alt ???
Membre de la Reconeixement internacional de l'excel·lència HR Excellence in Research logo del ∞ - League of European Research Universities logo del bkc - campus excel·lència logo del health universitat de barcelona campus

© Universitat de Barcelona