“신사 숙녀 여러분, 선장은 안전 벨트 표시를 켰습니다. 좌석으로 돌아와 안전 벨트가 고정되어 있는지 확인하십시오.” 대부분의 사람들이 난기류라는 용어와 관련된 당황한 중간 공중에 대한 친숙한 전주도 있습니다. 그러나 난기류는이 울퉁불퉁 한 승차감보다 훨씬 더 일반적이며 훨씬 더 아름답습니다.
유체 역학에서 액체와 가스가 어떻게 움직이는 지 과학으로 난기류는 존재의 상태입니다. 모든 흐름은 난류가 될 수 있습니다. 실제로, 인간 규모에서 대부분의 흐름은 난류입니다. 캠프 파이어의 깜빡이는 불꽃, 강 급류의 흰색으로 덮인 거품, 커피에 쏟아지는 우유의 소용돌이 에디가 일상적인 난기류의 예입니다.
난류 흐름은 종종 무작위로 또는 혼란스러워 보입니다. 예를 들어 누가 물 한 잔에 떨어질 때 잉크 한 방울이 말리고 쪼개지는 정확한 방법을 예측할 수 있습니까? 난기류의 복잡성은 그 아름다움의 일부입니다. 구름이 오버 헤드 롤을 보는 것을 보면서 한 시간을 보내면 두 가지가 동일하지 않을 것입니다. 난기류의 복잡성과 역동적 인 움직임은 이러한 흐름을 매혹적이며, 심지어 매혹적이며, 심지어 볼 수 있습니다. 인간은 패턴 추구 종입니다. 우리는 명백한 혼돈으로 질서를 추구하는 것을 좋아하며, 아마도 이것은 난류를 과학자와 예술가 모두에게 매혹적인 주제로 만드는 이유 일 것입니다. (과학자와 예술가가 난기류에 가져 오는 다양한 통찰력에 대한“경험 해야하는 과학적 문제”를 참조하십시오.)
그러나 그 예측 불가능 성은 종종 관중들에게 아름다움으로 읽히지 만, 그것은 과학자에게 강렬한 도전입니다. 난기류는 고전 물리학의 위대한 미해결 신비 중 하나였으며, 지난 2 세기 동안 가장 훌륭한 과학자, 엔지니어 및 수학자들은 그 안에 패턴을 풀려고 노력했습니다. 어떤 의미에서, 난기류의 문제는 오래 전에 해결되었습니다. 유체 운동, Navier-Stokes 방정식을 설명하는 방정식은 1 세기 반 이상 동안 알려져 있습니다. 그들은 본질적으로 뉴턴의 두 번째 운동 법칙 (그 자체가 2 백년 전의 좋은 법칙)입니다. 그러나 그들은 누구나 간단한 방정식이라고 부르는 것이 아닙니다. 실제 시나리오에 적용되면 실제로는 끔찍하게 복잡합니다. 세계에서 가장 크고 가장 빠른 슈퍼 컴퓨터조차도 자동차 주변의 공기 흐름이나 엔진 내부의 연소와 같은 실제 문제를 위해 이러한 방정식을 완전히 해결할 수 없습니다. (단순화 된 버전의 현상 :파이프 내부의 난기류를 설명하려는 한 연구원의 탐구에 관한“난기지를 예측하고 퍼프를 세려면”참조하십시오.)
우리는 여전히 난기류를 정확하게 예측하는 간단한 방법이 부족하지만, 많은 연구 시간이 질문에 쏟아져 나왔습니다. 그의 자서전에서, 공기 역학자 Theodore von Kármán은 1930 년 벽 근처의 난류 흐름의 속도를 예측하려는 그의 노력을 회상했다. 폰 카르마 (Von Kármán)와 그의 조수는 실험적 관찰을 설명하는 간단한 방정식을 찾으려고 노력했다. 두 사람은 길 코너에서 계산을 계속했으며 대기 전차 측면에 방정식을 작성하기까지 계속했습니다. 마침내 지휘자는 더 이상 기다리지 않을 것입니다. 폰 카르마 (Von Kármán)의 조수는 탑승을 뒤흔들었고 수학을 더 많이 기록하기 위해 모든 정거장에서 집으로 뛰어 들었습니다. 그들의“벽의 법칙”은 원래 평평한 판을지나 난류 흐름을 수학적으로 묘사하기위한 것이었지만, 후속 연구자들은 더 많은 상황에서 방정식이 적용되는 것을 발견했습니다. 강 바닥 근처의 물, 파이프를 통해 흐르고 대기의 가장 낮은 부분에서 풍속은 모두 법의 형태를 나타냅니다. 그러나 그들이 찾은 패턴은 난기류를 전체적으로 묘사 할 수 없습니다.
난기류를 더 잘 다루는 데있어 한 가지 핵심은 다른 크기 척도에서 반복하는 성향을 이해하는 것입니다. 화산 깃털의 길이는 킬로미터이며, 수백 미터를 가로 질러 에디의 에디가 천천히 회전하고 뒤집어 질 수 있습니다. 동시에, 센티미터 또는 밀리미터 규모까지 많은 작은 에디도 커피에 우유 한 방울과 같은 움직이고 소용돌이 치고 섞이고 있습니다. 이 시스템을 보는 강력한 방법은 20 세기 수학자 인 Benoit Mandelbrot에서 나왔습니다. IBM에서 일하는 동안 Mandelbrot은 모든 규모의 반복되는 기하학적 패턴을 포함하는 프랙탈이라고 부르는 것을 탐구하기 시작했습니다. Mandelbrot 세트를 확대하고 동일한 모양이 무한히 반복됩니다. 이 특성은 자기 유사성으로 알려져 있으며, 본질적으로 여러 번 분자 스케일보다 적어도 발생합니다. 프랙탈 패턴은 해안선, 번개, 채소 및 심장 박동 타이밍에서 발견되었습니다.
자기 유사성은 또한 많은 규모의 난기류에서 패턴을 찾으려는 사람들에게 프랙탈을 매력적인 도구로 만듭니다. 실제로, 만델 브로 트는 자신의 유사성 개념이 프랙탈과의 작업 전에 수십 년 전에 난기류를 묘사하기 위해 만들어 졌다고 지적했다. 오늘날, 다른 응용 분야 중에서, 프랙탈은 구름의 복잡한 경계 또는 화산 깃털과 같은 난기류의 기하학을 설명하는 데 사용됩니다. (“Fractal King의 마음 속에서”, Nautilus 참조 ‘Mandelbrot과의 사후 "인터뷰")
과학자가 난기류 예측을 위해 단순화 된 접근 방식을 사용할 수없는 상황에서는 Navier-Stokes 방정식의 근사치를 해결하여 문제가있는 용어를 더 간단한 모델 및 근사치로 대체합니다. 실제 문제는 계산적으로 다루기 쉬워 지지만 결과는 현실을 올바르게 포착하지 못할 수 있습니다. 이것은 모델링이 필요하지만 주어진 날의 날씨를 정확하게 예측하거나 예측하지 않을 수도있는 일기 예보의 큰 과제 중 하나입니다.
결국, 우리가 폭풍의 길을 예측하려는 기상 학자이든, 항공 승객들은 우리의 전자 제품에서 커피를 유지하려는 의도를 보이려고하든, 우리는 모두 난기류의 패턴을 찾고 있습니다. 연구원과 평신도 모두를 매료시키기에 충분한 주제에 대한 풍부한 복잡성, 아름다움과 깊이가 있습니다. 아마도 언젠가 누군가가 난기류의 복잡성을 줄이기 위해 올바른 패턴 (완벽한 패턴)을 찾을 것입니다. 다행히도, 서핑을 보거나 밤을 보면서 캠프 파이어를 감상하는 밤을 보면서 오후를 보내는 것은 그대로 남아있을 것입니다.
Nicole Sharp는 항공 우주 공학 박사 학위를 받았으며 블로그에서 유체 역학에 대해 정기적으로 글을 씁니다 fyfd .
