Sciencemag.cz
Doporučujeme
Ve slovníku odborné i laické veřejnosti slovo turbulence zdomácnělo. Jeho individuální výklady se vzájemně různí ještě více, než jest zdrávo. Nejčastěji je spojováno s pohybem tekutin, ale i s chováním různých systémů, včetně lidské společnosti.
Slovo je odvozeno z latinského slovesa turbó, které lze volně přeložit jako uvést ve zmatek, znepokojovat. Mnohdy je tento výraz nahrazován synonymem chaos. O významu tohoto slova jsou již představy poněkud konkrétnější. Jím mohu například popsat onu směs knih, slovníků, poznámek, papírů a psacích potřeb na vašem neuklizeném pracovním stole, to hemžení a shon, které vidím v lesním mraveništi nebo na zemském povrchu při pohledu z nebeských výšin, anebo onen proud za mostním pilířem, plný pohybujících se, vzájemně se ovlivňujících, vznikajících a zanikajících vírů. Zjednodušeně je možné říci, že toto slovo znamená stav nepořádku, nepravidelnosti.
Slovo chaos (χαοζ) má původ v staré řečtině. Označovalo zírání, a to s otevřenými ústy (v nespisovné češtině existuje pro toto skutečně výstižný termín). Slovo znamenalo též prvotní prázdnotu. Ovidius ve svých Metamorfózách přesněji chaosem označuje surovou, nezformovanou hmotu, ze které Bůh zformoval
vesmír:
Ante mare et terras et, quod tegit omnia, caelum
Unus erat toto naturae in orbe,
Quem dixere Chaos, rudis indigestaque moles
Nec quicquam nisi pondus iners congestaque eodem
Nonbene iunctarum discordia semina rerum.
Náš původní výraz turbulence je podstatně mladší. I když jeho stáří je z hlediska moderní fyziky úctyhodné. Dá se říci, že již dávno oslavil své sto desáté narozeniny. Navzdory tomu pojem je stále svěží, neopotřebovaný a mnozí fyzikové, ač neradi, přiznávají, že se jedná o poslední velký, doposud nevyřešený problém klasické fyziky. Sir Horace Lamb se například v roce 1932 vyjádřil, že věří, že až na věčnosti se mu objasní dvě věci – kvantová elektrodynamika a turbulentní pohyb tekutin, přičemž prvý problém se dařilo objasnit již za jeho života. Zájem o problém druhý v poslední době vzrůstá. Je to jednak kvůli požadavkům mnohých oborů, které výsledky využívají, a to zejména díky růstu popularity teorie chaosu a dynamických systémů. Lze například jmenovat strojní inženýrství, meteorologii, chemii, biologii či ekonomii. Pro důkladnější pochopení problému je vhodné odkázat na mnohé monografie, například knihu Monina a Jagloma (1965), a zejména velice čtivou knihu Tennekese & Lumleye (1972). Z novějších monografií je možné jmenovat Holmese, Lumleye a Berkooze (1996).
Existuje ještě příbuzný termín, charakterizující jev náhodný (v anglosaské literatuře random). Tím jsou označovány jevy, při kterých reprodukcí pokusu získáváme různé hodnoty závislých veličin a jsme schopni určit pouze statistické parametry. Oproti tomu s pojmem chaos spojujeme především deterministické problémy, ve kterých nejsou náhodné, resp. nepředvídatelné vstupy. Moon (1992) například charakterizuje chaos tím, že zkoumaný systém je:
• citlivý na změny počátečních podmínek,
• má široké spektrum Fourierových složek,
• má fraktální vlastnosti,
• se změnou parametrů mnohdy dochází ke kvalitativním změnám v procesu. Méně exaktní a více empirické zavedení pojmu turbulence lze nalézt v již citované monografii Tennekese & Lumleye (1972). Podle ní:
Definice: proudění je turbulentní, jestliže splňuje alespoň následující vlastnosti:
1. je nepravidelné,
2. v proudu jsou intenzivně přenášeny jeho vlastnosti, jakými jsou například hybnost, hmota, pasivní příměsi,
3. hodnota Reynoldsova čísla Re = UL/v, která proudění charakterizuje je velká,
4. obsahuje intenzivní fluktuace vířivosti, které jsou trojrozměrné,
5. je disipativní,
6. je spojité (kontinuum),
7. „jedná se o proudění“.
Nutno je zdůraznit především vlastnost poslední. Ta totiž říká, že turbulence je vždy vázána na makroskopický pohyb tekutiny. Turbulence není vlastností tekutiny, jakou je například viskozita, teplota, které naopak souvisejí s pohybem molekulárním.
Turbulentní proudění vzniká přechodem z proudění laminárního. K této kvalitativní změně v chování proudění dochází, jak je mnohému čtenáři zřejmé ze známého Reynoldsova pokusu při překročení hodnoty tzv. kritického Re. Přechod sám o sobě je velice komplikovaný proces a pro účely zkoumání MVA, kde proudění je převážně již turbulentní, není podstatný. Lze obecně konstatovat, že existují tři základní, kvalitativně odlišné „režimy“ proudění: laminární, včetně klidu, přechodový a turbulentní.
Vraťme se pro další objasnění pojmu k zmíněnému Reynoldsovu pokusu, který někteří zanícení fyzikáři středních škol reprodukovali při výuce. Jednalo se o zviditelnění proudění kapaliny v trubici. Původní pokus provedl Reynolds na univerzitě v Manchesteru v roce 1883. Reynoldsův náčrtek tohoto pokusu je
vyobrazen na obr. 5.1.
Změnou tlakového rozdílu na vstupu (baňka v levém horním rohu obrázku) a výstupu lze docilovat různých rychlostí proudění ve skleněné trubici, kde je kvalitativní vlastnost sledována. Autor pokusu prokázal – viz obr. 5.2, že s růstem rychlosti, a tedy i s růstem hodnoty Reynoldsova čísla, se mění charakter proudění. Od hladkého „učesaného“ až po neuspořádaný turbulentní pohyb. Odtud již lze pochopit vlastnost první.
Vlastnost druhá, nazývána též difuzivita, znamená, že přenos vlastností – míšení, je o několik řádů intenzivnější než v případě proudění laminárního. Tato vlastnost je s výhodou využívána při různých aplikacích, například v zařízeních pro míchání tekutin v chemickém průmyslu a potravinářství, aby pohyb tekutiny byl turbulentní a ochlazovaná horká tělesa byla obtékána turbulentním proudem. Je zároveň známo, že v důsledku intenzivního přenosu hybnosti z vnějšího proudění do mezní vrstvy dochází k odtržení turbulentního proudu v mezní vrstvě později než v případě proudu laminárního.
…
Velice závažná je vlastnost pátá, disipativnost. V důsledku této vlastnosti turbulentní proudění zachovává svůj turbulentní charakter pouze v tom případě, je-li přítomen „zdroj turbulence, který proudění zásobuje poruchami“. Takovým zdrojem může být nehomogenita středního proudu – archimedovské síly, která je důsledkem teplotního zvrstvení. V opačném případě, kdy proud neobsahuje takový zdroj turbulence, jsou fluktuace v důsledku tzv. kaskádovitého přenosu energie, který bude zmíněn v další části této kapitoly, utlumovány vazkými silami. Instruktivním příkladem je úplav (čára) – viz obr. 5.4, který se vytváří na obloze za proudovým letadlem a zdánlivě splňuje vlastnost čtvrtou. Tento obraz je vytvořen během průletu letadla daným místem, kdy proud obtékající jeho povrch je turbulentní a následně dochází v důsledku vlastnosti v pořadí uvedené pod číslem 5 k utlumení turbulentních poruch. Vlastní obraz vzniká kvůli kondenzaci vodních par. Po přeletu letadla zdroj energie mizí a díky vazkým silám jsou turbulentní fluktuace utlumovány (jejich energie se mění v teplo) a vzniká stacionární obraz předchozích procesů.
Tento text je úryvkem z knihy:
Zbyněk Jaňour: Modelování mezní vrstvy atmosféry
Academia 2019
O knize na stránkách vydavatele
Poznámka PH: Jedná se spíše o odbornou než populárně-vědeckou publikaci.
