Turbulência: Como entender a bagunça que o Universo adora

Mec?nica

Com informações do NINS - 06/06/2025

Desvendando a turbul?ncia

? um fen?meno universal, que se manifesta em uma vasta gama de escalas e sistemas, desde correntes atmosf?ricas e oce?nicas na Terra, at? o g?s entre as estrelas e gal?xias, e at? mesmo em motores a jato e no fluxo sangu?neo nas art?rias humanas.

Contudo, a turbul?ncia n?o ? simplesmente ca?tica - na verdade, ela consiste em uma hierarquia de v?rtices que interagem e evoluem ao longo do tempo, que podem se organizar em estruturas de grande escala ou produzir padr?es de fluxo coerentes.

Mas documentar e compreender essas complexas intera??es e evolu??es n?o ? f?cil, ainda que seja essencial, por exemplo, no desenvolvimento dos reatores de fus?o nuclear - nos plasmas de fus?o nuclear a turbul?ncia desempenha um papel crucial no confinamento da energia t?rmica e da mistura de part?culas de combust?vel.

Go Yatomi e Motoki Nakata, do Instituto Nacional para Ci?ncia da Fus?o, no Jap?o, estavam interessados justamente na turbul?ncia do plasma.

Ao contr?rio da turbul?ncia de fluidos simples, a turbul?ncia no plasma envolve a evolu??o simult?nea de m?ltiplos campos f?sicos, como densidade, temperatura, campos magn?ticos e correntes el?tricas. Essas grandezas se entrela?am, formando um estado em que m?ltiplos fluxos e v?rtices se encontram intrinsecamente interconectados. Compreender e decodificar os mecanismos fundamentais dessa turbul?ncia complexa e multicampo ? essencial para o controle e a otimiza??o dos futuros reatores de fus?o.

Turbul?ncia do plasma

Tradicionalmente, os estudos sobre turbul?ncia nos plasmas centram-se na an?lise das flutua??es daquelas grandezas f?sicas individuais. Um m?todo padr?o envolve decompor a turbul?ncia em uma superposi??o de ondas espacialmente uniformes e, em seguida, examinar a distribui??o e a transfer?ncia de energia entre escalas. No entanto, essa decomposi??o baseada em ondas n?o funciona quando a turbul?ncia forma estruturas de v?rtice localizadas, ou quando m?ltiplas grandezas de campo interagem fortemente.

Yatomi e Nakata criaram ent?o uma nova estrutura anal?tica que consegue capturar as estruturas localizadas e revelar o comportamento interligado de m?ltiplos campos flutuantes, de forma unificada e fisicamente significativa.

Para estudar como os v?rtices e fluxos emergem, se localizam e interagem na turbul?ncia do plasma, a dupla criou o que eles chamam de "decomposi??o de valores singulares multicampo". Essa t?cnica estende a estrutura matem?tica da decomposi??o de valores singulares para m?ltiplas grandezas f?sicas, permitindo a decomposi??o de turbul?ncias complexas em um conjunto de padr?es espaciais comuns (ou bases) que capturam flutua??es correlacionadas em diferentes campos, como densidade, temperatura e potencial el?trico.

Os dois pesquisadores definiram ainda duas novas m?tricas baseadas na entropia da informa??o, um conceito com ra?zes na mec?nica qu?ntica e na teoria da informa??o qu?ntica. A primeira ? a entropia de von Neumann (vNE), que quantifica a complexidade estrutural e a diversidade das flutua??es turbulentas. A segunda ? a entropia de entrela?amento (EE), que mede o grau de acoplamento - ou entrela?amento - entre diferentes estruturas turbulentas, indicando a intensidade com que elas interagem.

Ambas as grandezas s?o derivadas de uma matriz de densidade constru?da matematicamente que se assemelha ? sua contraparte na teoria qu?ntica, demonstrando uma analogia natural e poderosa entre estados qu?nticos e sistemas turbulentos.

Usos mais amplos

Ao aplicar essas grandezas da teoria da informa??o a simula??es num?ricas de um modelo de turbul?ncia de plasma, a dupla identificou uma transi??o anteriormente negligenciada nos estados de turbul?ncia - uma transi??o que n?o pode ser detectada por meio de an?lises tradicionais baseadas em energia.

Essa transi??o rec?m-descoberta reflete uma mudan?a abrupta nos padr?es coletivos dos v?rtices que ocorre nos bastidores dos principais fluxos de energia. Essas transi??es de padr?es podem influenciar significativamente a estabilidade do fluxo macrosc?pico e, portanto, s?o cruciais para a compreens?o dos processos de confinamento e transporte do plasma nos reatores de fus?o nuclear.

E a estrutura baseada em entropia desenvolvida pelos dois pesquisadores n?o se limita ? turbul?ncia do plasma. A expectativa ? que ela seja aplic?vel a uma ampla gama de sistemas complexos envolvendo fluxos multiescala e flutua??es acopladas em diversas grandezas f?sicas, como em ci?ncias atmosf?ricas e oce?nicas, redes de tr?fego e transporte e sistemas sociais.

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