Bagi siapa pun yang pernah mengamati gelombang laut atau air yang bergerak cepat, turbulensi bisa terlihat seperti kekacauan belaka. Arus kuat berputar dan bergejolak, menciptakan pusaran air yang pecah menjadi vortisitas yang semakin kecil hingga energinya akhirnya lenyap.
Selama beberapa dekade, para ilmuwan percaya bahwa proses ini mengikuti pola yang dapat diprediksi. Dalam lingkungan tiga dimensi seperti lautan dan atmosfer, energi diperkirakan berpindah dari struktur yang lebih besar ke struktur yang lebih kecil. Penelitian baru menunjukkan bahwa aturan tersebut mungkin tidak setepat yang diperkirakan sebelumnya.
Para peneliti di Universitas Pittsburgh, bekerja sama dengan kolaborator di Universitas Turin di Italia, telah menemukan bahwa arah aliran energi selama turbulensi sebenarnya dapat diubah. Temuan mereka, dipublikasikan di Kemajuan ilmu pengetahuan dalam artikel “Memanipulasi Arah Aliran Energi Turbulen melalui Geometri Tensor dalam Aliran Dua Dimensi” dapat berdampak pada bidang kedokteran, pengelolaan pesisir, dan ilmu iklim.
Mempertanyakan teori fundamental turbulensi
Pekerjaan ini dipimpin oleh Lei Fang, asisten profesor di Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan di Pitt’s Swanson School of Engineering, bersama dengan mahasiswa doktoral Xinyu Si, Filippo De Lillo dan Guido Boffetta.
“Sejak tahun 1941, berkat penelitian Andrey Kolmogorov, aliran energi telah dapat diprediksi. Dalam aliran 3D, seperti di perairan, energi berpindah dari skala yang lebih besar ke skala yang lebih kecil. Untuk aliran 2D, yang terjadi di lapisan air yang tipis, alirannya terbalik, dari yang terkecil ke yang terbesar,” kata Fang.
Untuk menentukan apakah perilaku ini dapat diubah, Fang mendekati masalah ini dari sudut pandang yang berbeda.
“Untuk memahami konsep abstrak ini pada skala yang berbeda,” Fang menambahkan, “Saya menyusun kembali proses aliran energi menjadi proses mekanis berdasarkan persamaan Navier-Stokes. Dan karena ini adalah proses mekanis, saya dapat mencoba membalikkannya dengan mengubah geometri antara perpindahan dan gaya.”
Pendekatannya mengandalkan tensor, objek matematika yang biasa digunakan untuk mendeskripsikan besaran seperti tegangan dan regangan. Sifat-sifat ini berperan besar dalam terbentuknya turbulensi.
Dengan mengembangkan kerangka geometris berdasarkan keselarasan tensor, Fang menemukan bahwa arah transfer energi bergantung pada bagaimana tensor berinteraksi. Dalam kondisi tertentu, aliran energi dapat dialihkan daripada mengikuti jalur yang biasanya diharapkan.
“Kami menunjukkan bahwa kami dapat menghasilkan aliran turbulen yang menunjukkan aliran energi maju atau mundur,” kata Fang. “Kerangka kerja kami juga meluas ke skala 3D.”
Eksperimen mengkonfirmasi teori tersebut
Ide ini didasarkan pada penelitian Fang sebelumnya yang menunjukkan bahwa perenang kecil dapat mengganggu arus laut yang kuat. Dalam studi barunya, dia mengalihkan perhatiannya pada aliran latar belakang itu sendiri dan bagaimana aliran tersebut berinteraksi dengan kekuatan eksternal.
Para peneliti telah menemukan bahwa ketika gaya-gaya ini diselaraskan dengan cara tertentu, mereka dapat mengubah cara energi bergerak dalam sistem yang bergejolak.
Untuk menguji teori tersebut, Fang dan Si melakukan eksperimen laboratorium menggunakan lapisan tipis air yang digerakkan oleh gaya elektromagnetik. Medan magnet horizontal menghasilkan aliran dua dimensi, sementara seperangkat batang digunakan untuk mengganggunya. Partikel pelacak yang tersuspensi dalam lapisan tipis elektrolit memungkinkan tim untuk memvisualisasikan dan mengukur pergerakan cairan.
Hasil eksperimen cocok dengan simulasi komputer dan mendukung prediksi kerangka baru.
Potensi penerapan lautan untuk pengobatan
Kemampuan mempengaruhi aliran energi turbulen berpotensi memberikan manfaat praktis di berbagai bidang.
“Melalui kerangka teoretis ini, kami menemukan bahwa kami dapat menggunakan batas fisik kecil hingga sepuluh meter untuk mengganggu hambatan transportasi laut yang membentang hingga beberapa kilometer,” kata Fang. “Ada kemungkinan untuk mengubah arah aliran energi, yang dapat meningkatkan penyebaran limbah atau kontaminan lainnya di sepanjang garis pantai.”
Hasilnya juga terbukti berguna dalam bidang kedokteran, khususnya dalam sistem mikrofluida di mana cairan mengalir melalui saluran yang lebih kecil dari satu milimeter. Pada skala ini, cairan cenderung tercampur dengan buruk karena sebagian besar turbulensi tidak ada.
“Dalam aliran mikrofluida yang lebih kecil dari satu milimeter, di mana viskositas suatu cairan membuat pencampuran menjadi sulit karena hanya ada sedikit atau tidak ada turbulensi,” tambah Fang, “kita dapat menyelaraskan gaya dan perpindahan untuk menghasilkan ‘turbulensi bilangan Reynolds rendah’ yang lemah, yang dapat mempercepat pencampuran zat.”
Implikasi terhadap pemodelan iklim
Penelitian ini juga dapat berkontribusi pada perbaikan simulasi iklim di masa depan.
Arus laut dan sirkulasi atmosfer memainkan peran penting dalam mengatur suhu global. Ketika perubahan iklim mengubah pola angin dan perilaku laut, kekuatan yang bekerja pada sistem ini juga dapat mempengaruhi pergerakan energi dalam aliran turbulen.
“Meskipun saat ini masih bersifat hipotetis, penelitian ini dapat meningkatkan pemodelan iklim,” kata Fang. “Ketika perubahan iklim mengubah pola angin dan arus laut, tekanan dan arus angin dapat mengubah arah aliran energi. Memahami kekuatan yang menciptakan perubahan ini dapat menghasilkan model yang lebih akurat.”
Meskipun diperlukan lebih banyak penelitian, penelitian ini menunjukkan bahwa salah satu hipotesis teori turbulensi yang paling mapan mungkin lebih fleksibel daripada yang diperkirakan para ilmuwan. Daripada hanya mengikuti jalur yang telah ditentukan, energi turbulen dapat diarahkan dan diarahkan ke kondisi yang tepat.
