Jika Anda seorang frequent flyer, kata "turbulensi" akan membuat Anda meraih sabuk pengaman. Ini adalah istilah yang, bagi banyak orang, dimulai dan diakhiri dengan nampan makanan yang tertutup dan perut yang terguncang. Namun, dalam dunia dinamika fluida, ini adalah fenomena licin yang diamati dalam segala hal mulai dari asap rokok hingga sungai yang mengalir di atas bebatuan. Namun terlepas dari keberadaannya di mana-mana, sangat sulit untuk dijabarkan dalam istilah matematika yang tepat.
Minggu lalu, sebuah makalah diterbitkan di Sains berusaha untuk menjelaskan misteri turbulensi, menawarkan bukti penting tentang bagaimana energi bergerak dan menghilang di sekitar fluida yang bergolak. Temuan para peneliti dapat membantu berbagai bidang ilmiah, mulai dari karya ahli iklim hingga insinyur penerbangan. Tapi apa itu turbulensi, dan mengapa sulit dijelaskan?
Apa itu turbulensi?
Saat Anda menuangkan susu ke dalam kopi pagi Anda, Anda akan melihat bahwa apa yang dimulai sebagai aliran teratur dengan cepat berubah menjadi pusaran yang tampak kacau. Hal yang sama berlaku untuk asap yang berasal dari ujung rokok – naik ke atas dalam garis lurus tetapi kemudian menggulung menjadi tikungan bercabang, memperlambat penyebaran gas sehingga tetap berada di depan Anda menghadapi.
Inilah yang dikenal sebagai aliran turbulen, berbeda dengan aliran laminar dari momen lurus pertama asap rokok. Dengan aliran laminar, partikel fluida (cair atau gas) bergerak dalam lapisan paralel, mengikuti jalur yang mulus; tidak saling mengganggu. Dengan aliran turbulen, energi kinetik yang berlebihan berarti partikel-partikel ini saling mengganggu satu sama lain, menyebabkan pusaran air dan berbagai kecepatan di berbagai bagian fluida.
Faktor penting di sini adalah viskositas. Jika cairan memiliki viskositas rendah (misalnya, susu dibandingkan dengan madu), itu akan memiliki lebih sedikit efek redaman. Ini pada dasarnya berarti akan lebih mudah aliran itu menjadi turbulen, daripada mempertahankan aliran laminar yang ramping. Dalam kedua kasus tersebut, kuantitas tak berdimensi disebut bilangan Reynold dapat membantu untuk memprediksi kapan aliran akan berubah dari laminar menjadi turbulen – tetapi bahkan dengan ini sangat sulit untuk memodelkan aliran fluida.
Bagian kunci lain dari matematika, yang disebut Persamaan Navier-Stokes, menggambarkan aliran fluida, tetapi ini sangat sulit dipecahkan dalam praktiknya, dan begitulah kecenderungan para insinyur dan ilmuwan untuk menggunakan model teoretis yang disederhanakan saat mencoba merancang hal-hal yang mungkin melibatkan turbulensi, seperti pesawat terbang dan pipa.
Apa yang menyebabkan turbulensi di pesawat?
Saat berada di udara, pesawat akan sering mengalami clear-air turbulence (CAT), yang merupakan bentuk turbulensi paling umum yang harus dihadapi pilot.
CAT paling sering ditemukan di sekitar aliran jet, yaitu aliran udara yang bergerak cepat yang dapat bergerak dengan kecepatan hingga 250 mph. Bergantung pada arah mana pesawat terbang, dan apakah arahnya sama dengan jet aliran, pilot ingin menghindari angin yang masuk, atau menggunakan energinya sebagai angin penarik untuk meningkat kecepatan.
Lihat terkait
Jika Anda membayangkan aliran jet sebagai sungai udara yang tak terlihat, itu akan membuat turbulensi lebih mudah untuk divisualisasikan. Seperti air, aliran sungai akan pecah menjadi pusaran dan pusaran yang bergerak dengan kecepatan berbeda. Pusaran udara ini, bergerak dengan kecepatan yang berbeda, akan memberi kekuatan pada pesawat – membuatnya bergetar dan berliku-liku.
Kabar baiknya adalah, meskipun turbulensi bisa terasa dramatis, sangat tidak mungkin berbahaya bagi pesawat dan penumpangnya. Pesawat komersial dirancang untuk menahan tekanan yang luar biasa, jadi Anda tidak perlu khawatir sayapnya robek. Hal terbaik yang dapat Anda lakukan adalah mengikat.
Bagaimana cara membuat prakiraan turbulensi?
Dalam hal penerbangan, ada prediksi tertentu yang dapat dibuat tentang di mana turbulensi akan terjadi, seperti ketinggian dan apakah lintasan melewati pegunungan. Area pertemuan udara dengan kecepatan berbeda, seperti Zona Konvergensi Antartropis di atas Afrika, juga rentan terhadap turbulensi. Selain prakiraan turbulensi umum ini, sulit untuk memprediksi dengan tepat di mana turbulensi akan terjadi.
Dari segi sains, pemodelan pergerakan aliran turbulen adalah salah satu misteri besar fisika. Nyatanya, terbukti sangat sulit untuk memahami apa yang dikatakan Institut Matematika Tanah Liat memecahkan persamaan Navier-Stokes adalah salah satu dari tujuh masalah terbuka terpenting dalam matematika, dikenal sebagai Masalah Hadiah Milenium. Orang pertama yang menyelesaikan setiap masalah ini akan diberikan $1.000.000.
Dalam makalah yang diterbitkan bulan ini di Science, tim dari Technical University of Madrid mengklaim telah mampu melakukannya mensimulasikan untuk pertama kalinya bagaimana turbulensi menyebarkan energi kinetik fluida melintasi pusaran dan pusaran yang semakin kecil skala. Para peneliti menyebutnya sebagai “turbulence cascade”, yang mengacu pada teori fisikawan matematika Rusia Andrei Kolmogorov pada 1940-an. Teori ini menyatakan bahwa pusaran besar dari aliran turbulen terurai menjadi semakin kecil, secara fraktal.
“Dalam model ini, transfer energi kinetik terjadi seperti tongkat yang diedarkan di sekitar pelari dalam lomba lari estafet,” kata salah satu penulis makalah, insinyur penerbangan José Cardesa. Alam. "Tapi satu di mana pelari menjadi semakin kecil dan lebih banyak."
Meskipun mungkin tidak cukup memecahkan persamaan Navier-Stokes, penelitian terbaru bisa menjadi bagian penting dari teka-teki yang telah menghindari para ilmuwan dan matematikawan selama berabad-abad. Jika model yang lebih sederhana dan lebih lengkap dapat ditemukan, itu akan berdampak besar pada segala hal mulai dari pengembangan sumber energi dari energi gelombang, hingga pemodelan pesawat terbang. Dan itu berarti cara yang lebih baik untuk memperkirakan turbulensi udara jernih – jenis yang menjatuhkan botol kecil anggur Anda ke lantai.
