Medan ordning ofta avviker till kaos, är ibland det omvända sant. Turbulent vätska har till exempel en tendens att spontant bilda ett snyggt mönster: parallella ränder.
Även om fysiker hade observerat detta fenomen experimentellt kan de nu förklara varför detta händer med hjälp av grundläggande vätskedynamikekvationer, vilket ger dem ett steg närmare att förstå varför partiklar uppför sig på detta sätt.
I laboratoriet, när en vätska placeras mellan två parallella plattor som rör sig i motsatta riktningar från varandra, blir flödet turbulent. Men efter en liten stund börjar turbulensen släta ut i ett randigt mönster. Vad som är resultatet är en duk av släta och turbulenta linjer som går i vinkel mot flödet (föreställ dig små vindskapade vågor i en flod).
"Du får struktur och tydlig ordning ur den kaotiska rörelsen av turbulens", säger seniorförfattaren Tobias Schneider, biträdande professor vid teknikhögskolan vid Swiss Federal Institute of Technology Lausanne. Detta "slags konstiga och mycket dunkla" beteende har "fascinerat forskare under lång, lång tid."
Fysikern Richard Feynman förutspådde att förklaringen måste döljas i grundläggande ekvationer av fluiddynamik, kallad Navier-Stokes-ekvationerna.
Men dessa ekvationer är mycket svåra att lösa och analysera, berättade Schneider för Live Science. (Att visa att Navier-Stokes-ekvationerna till och med har en smidig lösning vid varje punkt för en 3D-vätska är ett av Millenniumprisproblemen på 1 miljon dollar.) Så fram till denna punkt visste ingen hur ekvationerna förutspådde detta mönsterbildande beteende. Schneider och hans team använde en kombination av metoder, inklusive datorsimuleringar och teoretiska beräkningar för att hitta en uppsättning "mycket speciella lösningar" på dessa ekvationer som matematiskt beskriver varje steg i övergången från kaos till ordning.
Med andra ord, de delade det kaotiska beteendet ner i dess icke-kaotiska byggstenar och hittade lösningar för varje liten bit. "Det beteende som vi observerar är inte en mystisk fysik," sa Schneider. "Det är på något sätt gömt i standardekvationer som beskriver vätskeflödet."
Detta mönster är viktigt att förstå eftersom det visar hur turbulent och lugn, annars känd som "laminärt flöde", konkurrerar med varandra för att bestämma dess slutliga tillstånd, enligt ett uttalande. När detta mönster inträffar är de turbulenta och laminära flödena lika i styrka - utan att någon sida vinner dragkampen.
Men detta mönster ses inte riktigt i naturliga system, till exempel turbulens i luften. Schneider noterar att ett mönster som detta faktiskt skulle "vara ganska dåligt" för planet eftersom det skulle behöva flyga genom ett ställning av ojämna turbulenta och inte turbulenta linjer.
Snarare var det största målet med detta experiment att förstå den grundläggande fysiken för vätskor i en kontrollerad miljö, sade han. Endast genom att förstå de mycket enkla rörelserna för vätskor kan vi börja förstå de mer komplexa turbulenssystem som finns överallt runt oss, från luftflödet runt flygplan till insidan av rörledningarna, tillade han.
Forskarna publicerade sina resultat 23 maj i tidskriften Nature Communications.
