80 Yıllık Kolmogorov Teorisi, Kabarcık Deneylerinde İlk Kez Kanıtlandı

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Johns Hopkins Üniversitesi ve Duke Üniversitesi’nden uluslararası bir araştırma ekibi, akışkanlardaki türbülansı tanımlayan yüzyıllık bir teorinin, kabarcıkların oluşturduğu karmaşık hareketlere de uygulanabildiğini keşfetti. Ekip, sıvı içindeki kabarcıkların yükselirken etraflarındaki suyu nasıl karıştırdığını analiz ederek, Kolmogorov ölçeklemesinin kabarcık kaynaklı türbülanslarda da ortaya çıkabildiğini ilk kez deneysel olarak kanıtladı. Bulgular, Physical Review Letters dergisinde yayımlandı.

Araştırmada, bireysel kabarcıklar ve sıvı parçacıkları üç boyutlu olarak takip edilerek, Kolmogorov’un 1941’de tanımladığı türbülans teorisinin, K41 ölçeklemesi,kabarcık hareketlerinden kaynaklanan akışlara da uygulanıp uygulanamayacağı incelendi. Dr. Tian Ma, HZDR Akışkanlar Dinamiği Enstitüsü’nden çalışmanın baş yazarı olarak, “Kabarcıklar arasındaki ve etraflarındaki türbülansa, çok küçük ölçeklerde yakından bakarak kesin bir yanıt almak istedik.” sözleriyle durumu açıkladı.

Deney düzeneği, alt kısmından kontrollü kabarcık kümelerinin enjekte edildiği 11,5 santimetre genişliğinde bir su kolonundan oluştu. Dört adet yüksek hızlı kamera, saniyede 2.500 kare hızında kayıt aldı. Araştırmacılar, kabarcık boyutlarını ve gaz miktarını değiştirerek dört farklı deney gerçekleştirdi. 3 ila 5 milimetre çapındaki kabarcıklar, yükselirken dalgalanarak güçlü türbülans izleri oluşturdu. Orta yoğunlukta ve orta boyuttaki kabarcıkların bulunduğu iki durumda, akıştaki türbülans küçük ölçeklerde Kolmogorov’un öngörüleriyle yüksek oranda uyum gösterdi ve bu kabarcık kümeleri arasında ilk kez Kolmogorov ölçeklemesinin deneysel olarak doğrulandığı anlamına geliyor.

Dr. Andrew Bragg (Duke Üniversitesi) konuyla ilgili olarak, “Kolmogorov’un teorisi zarif bir yapı. Enerjinin büyük türbülans girdaplarından giderek küçüklere aktarılarak sonunda viskoz etkilerle yok olmasının, akışın dalgalanmalarını nasıl belirlediğini öngörüyor. Teorinin kabarcık kaynaklı türbülansı da bu kadar iyi açıklaması hem şaşırtıcı hem de heyecan verici.” dedi.

Ekip ayrıca, türbülansın enerji kaybı hızını tahmin etmek için yeni bir matematiksel formül geliştirdi. Enerji dağılım oranı olarak bilinen bu formül, yalnızca iki parametreye, kabarcıkların boyutu ve yoğunluğuna, bağlıydı ve deneysel verilerle olağanüstü uyum gösterdi. İlginç biçimde, Kolmogorov ölçeklemesinin kabarcıkların doğrudan izlerinin dışındaki bölgelerde daha güçlü olduğu belirlendi çünkü kabarcık izlerinde sıvı o kadar yoğun şekilde bozuluyordu ki, klasik enerji aktarım zinciri baskılanıyordu.

Araştırmacılar, Kolmogorov’un “atalet aralığı” olarak bilinen ve teorisinin en iyi çalıştığı türbülans ölçeklerinin, kabarcıkların çok daha büyük olması durumunda daha belirginleşeceğini saptadı fakat Dr. Hendrik Hessenkemper’in belirttiği gibi, “Gerçekte kabarcıklar kendi kararsızlıkları nedeniyle bu boyutlara ulaşmadan parçalanıyor.” Dolayısıyla, K41 teorisinin kabarcık akışlarına uygulanabilirliğinde doğuştan bir sınır bulunuyor. Hessenkemper, “Bir anlamda doğa, kabarcıklarla mükemmel Kolmogorov türbülansını elde etmemizi engelliyor ancak doğru koşullar altında buna oldukça yaklaştığımızı artık biliyoruz.” ifadelerini kullandı.

Söz konusu çalışma, yalnızca uzun süredir süregelen bilimsel bir tartışmayı sonlandırmakla kalmadı; aynı zamanda kimyasal reaktörlerden atık su arıtımına kadar uzanan kabarcık temelli sistemlerin tasarımını geliştirmek için de yeni yollar açtı. Fizikçiler için ise, Kolmogorov’un 80 yılı aşkın süredir geçerliliğini koruyan teorisinin, kabarcıklı akışlar gibi karmaşık sistemlerde dahi şaşırtıcı biçimde tutarlı olduğunu kanıtladı.

Dr. Ma, araştırmanın sadece bir başlangıç olduğunu vurgulayarak, “Daha karmaşık kabarcık şekilleri, farklı karışımlar veya değişik yerçekimi koşulları altında türbülansın nasıl davrandığını incelemek istiyoruz. Kabarcıklı akışlardaki türbülansın temel kurallarını ne kadar iyi anlarsak, onları gerçek dünyadaki uygulamalarda o kadar etkili kullanabiliriz. 80 yılı aşkın geçmişe sahip bir teorinin hâlâ bu kadar dinamik bir ortamda geçerliliğini koruması gerçekten büyüleyici.” cümlelerini sarf etti.

‍

‍

‍

Kaynak: https://phys.org/news/2025-08-elegant-theory-chaos.html