Deniz Mayzaları Bilim İnsanlarına Türbülans Kuralını Nasıl Değiştireceklerini Gösterdi

Pittsburgh Üniversitesi’nde çalışan bilim insanları, küçük bir engel ve açının yardımıyla iki boyutlu bir sistemde enerji akışının yönünü tersine çevirebileceğini keşfetti. Bu çalışma, uzun yıllardır enerji transferinin tek yönlü olduğu varsayılan türbülans fiziğine dair temel bir anlayışı sarsarken, deniz mayzaları olarak bilinen karidesimsiz canlıların bu süreçte beklenmedik bir rol oynadığı ortaya çıktı.

Araştırmacılar, enerji akışını yönlendirmek için sistemin akışını bozan küçük bir engel kullandı ve bunun yalnızca doğru açıyla konumlandığında işe yaradığını belirledi. Bu bulgu, karmaşık sıvı dinamiği sistemlerinin anlaşılmasına katkı sağlayacak olup, kirlilik kontrolü ve ilaç tasarımı gibi alanlarda uygulama potansiyeli taşıyor.

Türbülansın Doğası ve Enerji Aktarımı

Türbülansı atlatmak zor. Bir şelalenin eteğinde köpürten köpüğü karıştırır, kırılan bir dalganın tepesini şekillendirir. Uçuş sırasındaki pürüzlerin ardında, bir fincan kahvedeki sütün kıvrımlarının ve güneş yüzeyindeki plazmanın hareketinin ardındadır. “Türbülansı günlük hayatımızda her yerde gözlemleriz; plaja gittiğimizde ya da ellerimizi yıkadığımızda,” dedi Bari Teknik Üniversitesi’nden medeniyet mühendisi ve hidrodinamiği uzmanı Francesca De Serio.

Türbülanslı bir sistem karmaşıktır, kompleks kuvvetlerle içsel huzursuzlukla karakterizedir. Ancak basit biçimde başlayabilir. Örneğin türbülans, akan bir sıvının hızını değiştiren bir engelle karşılaştığında ortaya çıkar. Bir nehirde su, sürtünme nedeniyle kıyıya yakın yavaşlar ve hız uyumsuzlukları girdaplar veya eddiler üretebilir. Bir nehir bir kayaya dolanarak hareket etmek için ikiye bölündüğünde hızlar değişir ve boşluklar oluşur; su kendi üzerine düşer ve dönmeye başlayabilir. Air de bir sıvıdır, türbülansı rekabet eden akıntılar ve değişen sıcaklıklar üretir.

Bu tür bir sistemde enerji, boyut ölçekleri arasında hareket eder. İngiliz matematikçi ve fizikci Lewis Fry Richardson, modern hava tahmini modelinin kurucusudur, atmosferdeki gazlar tarafından oluşturulan sıvı sistemlerini incelediğinde bunu keşfetti. Büyük bir girdabın kinetik enerjisinin giderek küçük girdaplara aktığını, viskozitenin harekete direnç gösterdiği ölçeğe ulaşıncaya kadar enerji nihayet ısı olarak dağıldığını buldu. 1922’de Richardson bu kavramı nazım içinde özetledi.

Büyük girdaplar küçük girdapları besler, hızlarıyla beslenir ve küçük girdaplar daha küçük girdaplara sahiptir ve böylece viskoziteye kadar devam eder. Bu döngü her yerde tekrarlanır.

Kolmogorov’dan Kraichnan’a Türbülans Çalışmaları

Başlangıçta 1940’ların başında Sovyet matematikçi Andrey Kolmogorov, türbülans çalışmalarının net ve kesin bir matematiksel temeli sağladı. Ancak onun çalışması Richardson’ununkine benzer şekilde üç boyutlu sistemlere odaklandı; burada enerji büyük özelliklerden küçük olanlara akar.

1960’ların sonunda fizikci Robert Kraichnan ve George Batchelor, incelemeyi iki boyutlu sistemlere genişletti. İki boyutlu türbülanslı sistemler, Jüpiter’in Büyük Kırmızı Leke gibi olguları içerir; bu leke atmosferdeki daha aşağıdaki herhangi bir hareketi ezecek kadar şiddetle kıvrılır. Bu tip iki boyutlu türbülanslı sistem enerjiyi bir ölçekten diğerine aktarır, üç boyutlu biri gibi ama bir farkla: İki boyutlu türbülanslı sistemin enerjisi ters yönde akar, küçük girdaplardan büyük olanlara doğru hareket eder. Jüpiter’in Büyük Kırmızı Leke’sinde çevredeki küçük girdaplar ve vortics merkezdeki dev maelstromu besler.

Bu öncü çalışmaların iki boyutlu sistemlerde ters akı bildirğinden sonraki on yıllarda fizikciler bu akışların sabit olup olmadığını derinlemesine sorgulamadı. İki boyutlu türbülanslı sistemlerin ardındaki enerji mekanizmaları kesinlikle Xinyu Si’nin 2021’de Fang’ın laboratuvarında bir öğrenci olarak deniz mayzalarını incelemeye başladığında aklındaydı.

Aktif Madde ve Canlı Yüzücüler

Fang’ın laboratuvarı “aktif madde” üzerine odaklanır; bu fizik terimi kendi kendine hareket eden ve çevrelerine enerji enjekte eden şeyleri tanımlar. Bu etiket, bakteriler gibi yaşayan şeylerin ağları ve tiny robotlar gibi cansız şeyler dahil olmak üzere yeterince geniştir.

Bu projede Si ve Fang, biyolojik yüzücülerin türbülansın ortaya çıktığı sıvılarda malzemeleri nasıl karıştırdığını araştırmakla ilgileniyordu. Araştırmacılar, büyük doğal sistemlerdeki sıvıların karıştırılmasıyla ilgili olarak, küçük organizmalar tarafından üretilen türbülansın altını çizilmemiş bir rol oynadığına dair hipotez kurmuştu. Dünyanın su yollarını çalkalayan milyarlarca minik canlının ardından.

Bir Kuralı Yeniden Yazmak

Araştırmacıların bu keşfin, üç boyutlu sistemler dahil olmak üzere daha büyük ve kaotik sistemlere uzanabileceği düşünülüyor. Çalışma, sıvı dinamiğini anlama biçimimize etkiler ve kirlilik kontrolü ve ilaç tasarımı gibi alanlarda uygulama potansiyeli taşır.

Bu bulgu, türbülans fiziğinin temel ilkelerini yeniden değerlendirmeye yönlendiriyor. Deniz mayzaları gibi küçük canlıların ortama enjekte ettiği enerji, iki boyutlu bir sistemde enerji akışının yönünü değiştirebileceğini gösteriyor. Bu çalışma, fizikçilerin enerji transferi ve sıvı davranışı hakkındaki anlayışlarını derinleştirmelerine yardımcı olacak.

Bu güzel ve becerikli bir deneysel çalışmadır; iki boyutlu sistemlerde türbülansın incelenmesinde öncü olan bir fizikçi olarak bu bulgulara büyük önem veriyorum.

Gregory Falkovich, Weizmann Bilim Enstitüsü Fizikçisi

Araştırmacıların deniz mayzaları kullanarak keşfettiği bu mekanizma, fizik dünyasında yeni sorular ve araştırmalar için kapılar açıyor. Bu çalışma, karmaşık sistemlerin anlaşılmasında küçük canlıların bile beklenmedik katkılar sağlayabileceğini gösteriyor.

Dünya su yollarını çalkalayan milyarlarca minik canlı türbülansın ardındaki enerji mekanizmalarına katkıda bulunur.

Lei Fang, yeni çalışmayı yöneten Pittsburgh mühendisi.

Francesca De Serio, Bari Teknik Üniversitesi’nden medeniyet mühendisi ve hidrodinliği uzmanı.