75862 tempczyk9

NOWY OBRAZ ŚWIATA

ściankach do wartości maksymalnej w środku zgodnie z prostym wzorem, który pokazuje, że prędkość ta zależy od kwadratu odległości od ścianki. Tak więc wykres prędkości cieczy w rurze jest parabolą, która przy ściankach ma wartość 0, a wierzchołek w środku rury. Przepływ ten jest łatwym do zrozumienia przykładem działania praw dynamiki w ośrodku ciągłym, a taki nich cieczy nazywa się ruchem laminarnym. Gdyby prawo to obowiązywało dla wszystkich prędkości, sprawa nie byłaby warto wspominania, a problem byłby dawno rozwiązany.

Niestety, a może na szczęście, przy pewnej prędkości dla każdego dokładnie określonego układu laminarny, uporządkowany ruch nagle znika i pojawia się przepływ pełen zawirowań, burzliwy, nie dając}' się ani dokładnie opisać ani przewidzieć. Taki ruch nazywa się turbulent-nym. To nagłe przejście, interesujące zarówmo z teoretycznego, jak i praktycznego punktu widzenia, było od dawna znane i intensywnie badane. Dzięki badaniom powstała teoria dosyć dokładnie opisująca zależność prędkości, przy której następuje załamanie się regularnego ruchu i jego przemiana w ruch turbulentny, od geometrycznych i fizycznych własności układu. Własności te wyraża bezwymiarowa wielkość zwana liczbą Reynoldsa Re, podająca stosunek sił bezwładności do sił lepkości. Dla każdego typu przepływu istnieje określona wartość liczby Reynoldsa, powyżej której ruch staje się burzliwy.

Ogromny wysiłek włożony w badania przepływu cieczy i gazów, i pojawiających się w nich wirów, wynikał przede wszystkim z wielkiego praktycznego znaczenia tych zjawisk w technice. Budując samoloty, samochody i statki, trzeba wiedzieć, jakie siły działają na ich części, jaki kształt prowadzi do najmniejszego oporu ośrodka; które części są najbardziej obciążone itp. Oprócz tego proste prawo wiążące przejście od porządku do chaosu z wartością liczby Reynoldsa nasuwało podejrzenie, że istnieje jakiś uniwersalny mechanizm tego przejścia. Fizycy wysuwali różne hipotezy, jednak zawsze okazywało się, że proponowane modele nie są dobre. Trzeba było szukać dalej.

Turbulencja nie była jedynym procesem, w którym dla pewnych wartości parametrów dynamicznych obserwowano porządek, dla innych zaś pojawiało się zachowanie skomplikowane i trudne do opisania. Na przykład serce, zwykle bijące regularnie i periodycznie, może zacząć działać w chaotyczny, groźny dla życia organizmu sposób. Analogiczne zjawiska występują w społeczeństwach, układach technicznych, procesach populacyjnych i innych. Pobudzały one uczonych do dalszych badań i prób ich wyjaśniania. Teoretyczne i doświadczalne badania turbulencji odegrały ważną rolę w procesie powstania teorii chaosu. Wielu naukowców prowadziło obserwacje, których celem było potwierdzenie teorii przejścia od porządku do chaosu sformułowanej przez Landaua w 1944 roku. Teoria ta przewidywała, że przejście takie zachodzi stopniowo. W układzie pojawiają się drgania, najpierw jedno, później dwa, trzy i tak dalej, aż w końcu działanie całości stąje się bardzo skomplikowane i chaotyczne. Teorię tę było bardzo trudno zweryfikować doświadczalnie, gdyż procesów zachodzących w cieczach nie dawało się zbyt dokładne obserwować. Stopniowo uzyskiwano jednak coraz więcej danych. Historię tych badań opisał Gleick [15]. Najważniejsze, niezwykle dokładne doświadczenia tego typu przeprowadzili w 1973 roku Swinney i Gollub. Chcieli oni potwierdzić model Landaua. Zbudowali maleńkie pudełko zawierające dwa cylindry, między którymi istniała przerwa o szerokości 3 mm. Cylinder wewnętrzny kręcił się w zewnętrznym, porywając za sobą wodę. Okazało się, że po okresie ruchu uporządkowanego powstawała przewidywana przez teorię Landaua struktura wirów. Badacze obserwowali ją za pomocą światła laserowego. Przy dalszym wzroście prędkości nie pojawiła się trzecia

223