نتائج دراسة جديدة يمكن أن تعطينا أخيرا "جداول زمنية" للاضطراب!

وتعتبر السوائل عناصر فوضوية حقا، ولكن طريقة جديدة لحساب حركتها يمكن أن تجعل تدفقها أكثر قابلية للتنبؤ قريبا.

ولا يمكن للعلماء فقط استخدام هذا لتحسين فهمنا للديناميكا المائية، ولكن يمكن أن يجعل كل شيء من التنبؤات الجوية إلى تصميم المركبات أكثر دقة إلى حد كبير.

وأظهر الفيزيائيون من معهد جورجيا للتكنولوجيا أنه من الممكن تحديد اللحظات التي يعكس فيها الاضطراب أنماطا قابلة للقياس، وإيجاد وميض للترتيب المحدد رياضيا بشكل فعال.

ويقول عالم فيزياء جورجيا للتكنولوجيا، رومان غريغوريف: "منذ ما يقرب من قرن من الزمان، وُصف الاضطراب إحصائيا على أنه عملية عشوائية. وتقدم نتائجنا التوضيح التجريبي الأول، على نطاقات زمنية قصيرة بشكل مناسب، أن ديناميكيات الاضطراب حتمية - وتربطها بالمعادلات الحتمية الحاكمة الأساسية".

ومن الصعب التنبؤ بالاضطراب بسبب الطريقة التي تتشكل بها الدوامات الصغيرة في السائل. وعندما تتدفق المادة في خط مستقيم في تيار سلس، فمن السهل توقع سرعتها ومسارها. وإذا أصبح أي مسار في التيار بطيئا، ربما عن طريق السحب على طول سطح أقل حركة، فإن السائل سيلتف مرة أخرى على نفسه.

إقرأ المزيد

اكتشاف طريقة بسيطة لإنتاج الهيدروجين من الماء في درجة حرارة الغرفة!

ومع كل تيار جديد، يتشكل سطح جديد يمكن أن ينتج دوامات جديدة. وفقط لجعل الأمر أكثر تعقيدا، تتصرف كل دوامة وفقا لأهواء عدد من العوامل - من الضغط إلى اللزوجة - وتضيف بسرعة إلى عاصفة في فنجان لا يمكن لأي كمبيوتر أن يأمل في تتبعها.

وعن قرب، كل شيء يبدو عشوائيا جدا. خذ خطوة للوراء، وستوضح الإحصائيات أن العملية الكلية تظل مضمنة بقوة في نفس القواعد القديمة التي تحكم كل كائن متحرك آخر في الكون.

ويقول غريغورييف: "يمكن اعتبار الاضطراب كسيارة تتبع سلسلة من الطرق. وربما يكون هناك تشبيه أفضل هو القطار، الذي لا يتبع خط سكة حديد وفقا لجدول زمني محدد فحسب، بل له أيضا نفس شكل خط السكة الحديد الذي يتبعه".

وتماما كما هو الحال مع السكك الحديدية القياسية الخاصة بنا، من الممكن وصف الاضطراب بأنه إما محاكاة عددية أو عن طريق نماذج فيزيائية. ومثلما يكون الجدول الزمني للقطار مفيدا في جعلك تعمل في الوقت المحدد، فإن الالتزام بنهج رياضي للاضطراب هو الطريقة الوحيدة للذهاب إذا كنت تريد تنبؤات موثوقة.

ولسوء الحظ، يمكن جمع كل هذه الأرقام بسرعة، ما يجعل العمليات الحسابية مكلفة.

ولمعرفة ما إذا كانت هناك طريقة لتبسيط التوقعات، أنشأ الفريق خزانا بجدران شفافة وسائل يحتوي على جزيئات فلورية صغيرة. كان توجيه السائل بين زوج من الأسطوانات الدوارة بشكل مستقل وتتبع المحتويات المتوهجة يشبه مشاهدة القطارات وهي تتدحرج عبر المحطة في الوقت الفعلي.

ومع ذلك، كان الباحثون بحاجة في الواقع إلى الخروج بجداول زمنية أولا ومعرفة أي منها يشبه ما يرونه.

وينطوي القيام بذلك على حلول حاسوبية لمجموعة من المعادلات ابتكرت منذ ما يقرب من 200 عام. ومن خلال مواءمة التجربة مع النتائج الرياضية، يمكن للفريق تحديد وقت ظهور أنماط اضطراب معينة تسمى الهياكل المتماسكة.

وعلى الرغم من ظهورها بانتظام في السوائل المتحركة، إلا أن توقيت الهياكل المتماسكة لا يمكن التنبؤ به. وفي هذا الإعداد الخاص، التزمت الهياكل المتماسكة بنمط شبه دوري يتألف من ترددين - أحدهما يدور حول محور تناظر التدفق، والآخر يعتمد على مجموعة أخرى من التحولات في التيار المحيط.

وعلى الرغم من أنها ليست مجموعة بسيطة من المعادلات التي يمكن أن تصف الاضطراب بجميع أشكاله، إلا أنها توضح الدور الذي يمكن أن تلعبه الهياكل المتماسكة في جعلها أكثر قابلية للتنبؤ.

ومن خلال التوسع في هذا العمل، يمكن أن تجعل الأبحاث المستقبلية "جداولها الزمنية" للاضطرابات أكثر ديناميكية، وتصفها بمزيد من التفصيل مما يمكن أن توفره المتوسطات الإحصائية.

ويقول غريغوريف: "يمكن أن يمنحنا القدرة على تحسين دقة التنبؤات الجوية بشكل كبير، وعلى الأخص تمكين التنبؤ بالأحداث المتطرفة مثل الأعاصير. والإطار الديناميكي ضروري أيضا لقدرتنا على هندسة التدفقات بالخصائص المرغوبة، على سبيل المثال، تقليل السحب حول المركبات لتحسين كفاءة الوقود، أو تعزيز النقل الجماعي للمساعدة في إزالة المزيد من ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي في صناعة التقاط الهواء المباشر الناشئة".

ونشر هذا البحث في PNAS.

المصدر: ساينس ألرت