科学者たちは、一連の長年の疑問の解決に役立つ可能性のある、密閉された乱流ボールを水槽内に作成しました。乱気流は私たちの周りにあふれています。乱流は、カフェラテに含まれるコーヒーとミルクの渦から、飛行機の翼や車の側面にかかる空気力学、さらには弁が閉じた後の心臓内の血液の流れに至るまで、あらゆる場所に存在します。しかし、私たちはまだそれらすべてを完全に理解しているわけではありません。
障害の 1 つは、外部要因から切り離して現象を研究することを好む物理学者の伝統的なアプローチです。しかし、乱流に関しては、コップに入った液体をかき混ぜるのと同じように、スプーンは依然としてプロセスの不可欠な部分であり、液体の挙動に影響を与えます。現在まで、乱流を独立変数として分離する方法はわかりませんでした。
しかし、シカゴ大学の科学者チームは、水槽内に閉じ込められた乱流を作り出す方法を開発しました。彼らは、環状ジェットを使用して、乱流の孤立した「球」が形成され持続するまで、環状の流れを噴霧しました。
「これは私たちにとって驚きでした」と、Nature Physics に掲載されたこの発見を記述した研究の筆頭著者である物理学者の松沢巧氏は語った。この研究の責任著者であるウィリアム・アーバイン教授は、「ピクニックをしている野原に静かに座って、50フィート離れたところで嵐が吹き荒れるのを眺めているようなものだ」と述べた。
彼らは、この画期的な発見により、乱流をより深く理解するための新たな研究の道が開かれることを期待しています。
「乱流、つまり不均一な混合物における混沌とした物質の流れは、古い問題です」とオーウェン氏は言う。 「これは物理学における大きな未解決の問題の 1 つとしてよく引用されます。」
過去数十年にわたって、科学者は「理想化された」乱流条件の挙動を記述することで進歩を遂げてきました。言い換えれば、乱流には境界や強度や時間の変化などの交絡変数はありません。しかし、現実世界の乱気流については、知るべきことがまだたくさんあります。
「乱気流は私たちの周りにあふれていますが、物理学者が満足のいく説明と考えるものはとらえどころがありませんでした」とオーウェン氏は言う。 「たとえば、この乱流領域に穴を開けたら次に何が起こるかを予測できるかと問われたら、答えはノーです。スーパーコンピューターを使っても不可能です。」
大きな問題の 1 つは、実験に交絡変数が存在することです。パイプを通して水を急速に噴霧したり、タンク内のパドルを撹拌したりすることで乱流を作り出すことができますが、乱流は常に容器や撹拌機の壁に擦れて、実験結果に影響を与えます。
マツザワ、オーウェン、そして彼らの共同研究者らは、水槽内で「渦リング」実験を行ってきた。これは煙の輪のようなものだが、水中で行われる。それらを組み合わせて乱流を起こそうとすると、通常、エネルギーは跳ね返り、その後散逸します。
しかし、特別な構成 (8 つの角があり、それぞれに渦リング発生器が付いている箱) を発見すると、何か奇妙なことが起こりました。彼らが中心で交わるリングを繰り返し発射すると、箱の壁から離れたところに自己完結型の乱流の球が形成されるのが見えた。
これ自体が画期的でした。「これまで誰もこれが可能だとは考えていませんでした。乱流は液体を混ぜるのに非常に優れています。コーヒーにミルクを混ぜる場合、完全に混ざるまでに 1 ～ 2 回かき混ぜるだけで済みますが、我々はその状態を維持することができます。これは非常に驚くべきことです。」
スタンドアロンの乱流球があれば、科学者はレーザーと複数の高速カメラを使用してそのパラメータをより正確に追跡できるようになります。これには、エネルギーとヘリシティ (ループがどの程度もつれているか、または「結び目」になっているかを示す尺度)、および力積と角力積 (流体の運動量と角運動量に相当) が含まれます。
さらに、パラメータを変更して遊ぶこともできます。供給されるループが時計回りまたは反時計回りのスパイラルであるかどうかを変更できます。入力エネルギーを変更したり、リングの追加を停止して乱流が消散するのを観察したり、リングのヘリシティを変更して乱流が時間の経過とともにどのように変化するかを観察したりすることができます。
「乱流はどのように消散するのか？乱流はどのように拡大するのか？乱流は何を『記憶』するのか？エネルギーはどのようにスケール間を移動するのか？乱流にはさまざまな種類があるのか？私たちはあらゆる種類の質問をすることができ、ここはそれらを尋ねるユニークな環境だ」とオーウェン氏は語った。 「これがこの分野での新境地開拓に役立つことを心から願っています。