Estem entrant de ple en el període estival: es buiden les oficines i s'omplen els aeroports a la recerca d'una destinació paradisíaca en què gaudir de les vacances. I és llavors quan els avions, el transport més còmode i segur per a uns, es converteix en un autèntic malson per als altres, el motiu? Les turbulències. Però, com es formen exactament aquests fenòmens atmosfèrics?
Un equip del Departament de Física de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), liderat pels professors Àlvar Meseguer i Fernando Mellibovsky, ha calculat amb precisió els mecanismes que expliquen la transició d'un flux ordenat —pot ser aire o aigua, per exemple— a un flux turbulent. Demostrant així que aquesta transició no és aleatòria, sinó que segueix una llei matemàtica.
La transició de l'ordre al caos
La transició de l'ordre al caos és un dels problemes més complexos de la física clàssica. Encara que la turbulència és present en nombroses situacions quotidianes –quan el fort vent que envolta el fuselatge d'un avió es torna erràtic i violent, o en la circulació de la sang a les artèries–, els mecanismes que la generen encara no es coneixen del tot.
L'estudi, publicat a la revista Journal of Fluid Mechanics, determina que els fluids es mantenen en ordre quan les seves condicions —la velocitat, per exemple— són estables i constants. Quan es modifiquen les condicions, els fluids comencen a oscil·lar de forma periòdica: a mesura que augmenta la velocitat, el període d'oscil·lació es duplica, quadruplica, i així successivament fins que es produeix un desdoblament que condueix a la transició al caos, és a dir, a la turbulència: el moment en què rebem la indicació de posar-nos els cinturons.
Això demostra, per primer cop i amb precisió numèrica sense precedents, en l'àmbit de la dinàmica de fluids, que aquest mecanisme també regeix la formació de la turbulència en fluids en rotació estable. Això implica que, encara que un flux sembli estable, pot convertir-se en turbulent si es produeixen pertorbacions significatives.
Desenvolupat un model matemàtic que permet predir turbulències
Però, per a sort de molts, l'equip investigador ha desenvolupat també un model matemàtic que permet predir amb més precisió en quin moment es produirà la transició de la calma al caos. Això permetrà en el futur obrir noves vies d'investigació per al desenvolupament de tecnologies que facilitin una millor gestió i previsió de les turbulències.
A més, més enllà de l'impacte que tenen aquests fenòmens en els passatgers dels avions, determinar les causes per les quals el moviment d'un fluid en rotació es torna turbulent i impredictible és de vital importància en enginyeria aeronàutica, en meteorologia, o en medicina: per entendre la dinàmica de la sang dins de les artèries o tractar patologies associades a alteracions del ritme cardíac.