Bola turbulensi diisolasi menggunakan cincin pusaran – Dunia Fisika

Bola turbulensi diisolasi menggunakan cincin pusaran – Dunia Fisika

Stempel Waktu: 26 Juli 2023 9:05

Bola turbulensi
Bola bergolak: William Irvine, Takumi Matsuzawa, dan rekan telah menggunakan peralatan ini untuk melacak turbulensi dengan laser dan kamera berkecepatan tinggi. (Sumber: Takumi Matsuzawa)

Para peneliti di AS telah mengisolasi bola turbulensi di dalam tangki air dan menopangnya dengan menembakkan cincin pusaran dari sudut tangki. William Irvine dan rekan-rekannya di University of Chicago mengatakan bahwa teknik baru mereka dapat mengarah pada transformasi dalam cara mempelajari turbulensi secara eksperimental.

Dari pusaran arus hingga pusaran gas di ruang antarbintang, turbulensi mendasari perilaku banyak sistem berbeda di alam. Karakteristik utamanya mudah dikenali dan termasuk fluktuasi kecepatan dan tekanan yang tidak teratur dan tidak menentu. Namun terlepas dari keberadaannya di mana-mana, para peneliti berjuang untuk menggambarkan dengan tepat bagaimana perilaku cairan turbulen.

“Turbulensi muncul di mana-mana di sekitar kita, tetapi terus menghindari apa yang oleh fisikawan dianggap sebagai deskripsi yang memuaskan.” Irvine menjelaskan. “Misalnya, jika Anda bertanya, dapatkah saya memprediksi apa yang terjadi selanjutnya ketika saya menyodok wilayah turbulensi ini? Jawabannya adalah tidak. Bahkan tidak dengan superkomputer.”

Gangguan terkendali

Meskipun turbulensi dapat dibuat dan dipelajari di laboratorium, sangat sulit untuk mencegah cairan turbulen berinteraksi dengan dinding wadahnya, atau alat pengaduk yang digunakan untuk menghasilkan turbulensi. Sejauh ini, kemunduran ini telah menghalangi fisikawan untuk memahami bagaimana fluida turbulen berevolusi dari waktu ke waktu jika dibiarkan tidak terganggu, atau bagaimana mereka merespons gangguan yang terkendali.

Untuk mengatasi tantangan ini, tim Irvine berupaya menciptakan wilayah turbulensi yang benar-benar terisolasi menggunakan cincin pusaran. Ini adalah pusaran cairan melingkar yang menghasilkan turbulensi saat mereka bertabrakan satu sama lain.

Pada awalnya, Irvine dan rekannya melakukan ini dengan menempatkan jet cincin penghasil pusaran di kedua ujung tangki air. Air diunggulkan dengan gelembung untuk memvisualisasikan gerakan cincin. Meskipun turbulensi diamati pada awalnya, aliran akhirnya bergabung kembali untuk membuat rangkaian cincin baru, yang dibelokkan menjauh dari titik awal tumbukan.

Delapan cincin pusaran

Dalam studi terbaru mereka, tim Irvine malah menempatkan ring jet di setiap sudut tangki – dengan hasil yang jauh lebih menarik. Saat delapan cincin pusaran bertabrakan, mereka menciptakan bola turbulensi berbentuk bola kasar di tengah tangki. Tidak hanya bola benar-benar terisolasi dari dinding tangki; itu bisa dipertahankan hanya dengan menembakkan lebih banyak cincin pusaran ke dalam tangki secara berkala.

“Tidak ada yang tahu ini mungkin,” kata anggota tim Takumi Matsuzawa. “Turbulensi sangat bagus dalam mencampur berbagai hal; jika Anda mencampurkan susu ke dalam kopi, Anda hanya bisa memasukkan satu atau dua putaran sebelum benar-benar tercampur. Fakta bahwa kami dapat menahannya sangat mengejutkan.”

Ini seperti duduk dengan tenang di lapangan dengan piknik dan menyaksikan badai mengamuk sejauh 50 kaki

William Irvine

Dengan pengaturan ini, tim dapat menggabungkan cincin pusaran seperti balok LEGO – mengontrol parameter termasuk energi dan helisitas cincin – yang terakhir menjelaskan apakah pusaran berputar searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam.

Pada gilirannya, mereka dapat menyempurnakan parameter turbulensi di dalam bola, kemudian mengamati bagaimana turbulensi itu berevolusi saat mereka menopangnya dengan lebih banyak cincin pusaran – atau bagaimana turbulensi menghilang saat mereka berhenti menambahkan cincin baru. “Ini seperti duduk dengan tenang di lapangan dengan piknik dan menyaksikan badai mengamuk sejauh 50 kaki,” jelas Irvine.

Para peneliti sekarang berharap pekerjaan mereka dapat menghasilkan terobosan dalam pengembangan teknik baru untuk mempelajari turbulensi. Dengan memahat aliran turbulen menggunakan cincin pusaran, mereka menyarankan bahwa turbulensi dapat diperlakukan sebagai keadaan materi dengan fitur yang dapat dikontrol dan dimanipulasi dengan hati-hati.

Pada gilirannya, ini dapat membuka jalan bagi beragam eksperimen baru, menjelajahi banyak contoh berbeda dari aliran turbulen di alam. “Saya sangat berharap ini dapat membantu membuka taman bermain baru di lapangan,” kata Irvine.

Penelitian tersebut dijelaskan dalam Fisika Alam.

Stempel Waktu:

Lebih dari Dunia Fisika