Ilmuwan Menemukan Persamaan Antara Hujan Dengan Cincin Saturnus

Dari hujan hingga cincin Saturnus: Persamaan baru mendorong batas dinamika fluida

Sekolahnews – Pernahkah kamu bertanya-tanya tentang keajaiban di balik pembentukan tetesan hujan atau kepingan salju yang indah? Atau mungkin tentang penciptaan cincin-cincin yang mengelilingi Saturnus? Semua proses ini terkait dengan tarian rumit dari partikel-partikel yang saling berhimpun dalam dinamika fluida.

Kini, para peneliti dari Skoltech menambahkan bab baru dalam pemahaman tentang tarian kosmik ini. Tim tersebut telah mengusulkan persamaan matematika inovatif yang menjanjikan untuk mendorong batas-batas dunia alami dan teknologi kita.

Kemajuan ini membahas fenomena alam dan rekayasa, mulai dari pembentukan hujan dan salju hingga pembentukan cincin planet dan aliran fluida industri.

Agregasi fluida merupakan proses kritis yang diamati dalam sistem alam dan teknologi.

Di alam, titik-titik air berkumpul membentuk hujan, kristal-kristal es bergabung menjadi kepingan salju, dan partikel-partikel yang mengorbit planet-planet bergabung menjadi struktur seperti cincin-cincin Saturnus. Proses-proses ini menunjukkan bagaimana partikel-partikel dalam cairan berkumpul untuk menciptakan entitas-entitas yang lebih besar.

Dalam teknologi, agregasi fluida memainkan peran penting dalam aktivitas seperti pengecatan aerosol (di mana partikel membentuk lapisan halus), pengangkutan bubuk dalam industri, dan ledakan terkendali yang bergantung pada perilaku partikel.

Memahami dan memprediksi fenomena ini penting untuk meningkatkan berbagai aplikasi.

Persamaan fisikawan Marian Smoluchowski yang dikembangkan pada awal abad ke-20 merupakan langkah besar dalam memahami bagaimana partikel-partikel bergabung dalam fluida.

Misalnya, persamaan ini dapat menjelaskan bagaimana tetesan kecil dalam kabut bergabung untuk membentuk tetesan yang lebih besar, atau bagaimana kristal es kecil di awan bergabung untuk menciptakan kepingan salju. Persamaan ini menghitung laju partikel dengan ukuran berbeda yang bergabung, sehingga memberikan wawasan tentang keseluruhan proses agregasi.

Namun, persamaan ini mengasumsikan bahwa lingkungannya seragam – artinya tidak ada perubahan suhu, tekanan, atau pergerakan fluida.

Misalnya, persamaan tersebut bekerja dengan baik dalam situasi teoritis seperti kabut yang tenang dan terdistribusi secara merata, tetapi gagal memperhitungkan kompleksitas dunia nyata , seperti angin turbulen di awan badai atau distribusi suhu yang tidak merata di atmosfer.

Untuk mengatasi kekurangan ini, tim peneliti mencoba menggabungkan persamaan Smoluchowski dengan model dinamika fluida seperti persamaan Euler (untuk fluida ideal) dan persamaan Navier-Stokes (yang mencakup viskositas dan gaya lainnya).

Misalnya, dalam ilmu atmosfer, mereka mungkin menggunakan persamaan Smoluchowski untuk memprediksi bagaimana tetesan air hujan tumbuh sambil menggunakan persamaan Navier-Stokes untuk mensimulasikan aliran udara di awan badai.

Dalam proses industri, mereka dapat menggunakan model-model ini bersama-sama untuk mensimulasikan bagaimana partikel-partikel bubuk halus bercampur dan berkumpul dalam aliran udara turbulen di dalam pabrik.

Namun, tantangannya adalah bahwa kedua rangkaian persamaan ini dikembangkan untuk tujuan dan kerangka matematika yang sepenuhnya berbeda.

Persamaan Smoluchowski berfokus pada laju penggabungan partikel, sedangkan persamaan Navier-Stokes berfokus pada pergerakan fluida. Penggabungan keduanya tanpa dasar yang terpadu terkadang menyebabkan kesalahan.

Misalnya, dalam studi polusi udara, menggabungkan persamaan bisa jadi salah memprediksi bagaimana partikel jelaga berkumpul di udara yang bergejolak.

Dalam ilmu planet, penggunaan model hibrida ini dapat menyebabkan prediksi yang tidak akurat tentang bagaimana partikel membentuk cincin di sekitar planet seperti Saturnus.

Akar masalahnya adalah asumsi matematika dari kedua kerangka kerja ini tidak kompatibel, sehingga menghasilkan hasil yang tidak dapat diandalkan dalam skenario yang kompleks.

Misalnya, dalam lingkungan yang bergolak di mana ukuran dan gerakan partikel bervariasi secara signifikan, model dapat salah menghitung laju agregasi atau gagal memprediksi perilaku tertentu, sehingga membatasi kegunaannya baik dalam penelitian maupun aplikasi praktis.

Peneliti Skoltech Alexander Osinsky dan Profesor Nikolay Brilliantov mengatasi tantangan ini dengan mengembangkan persamaan hidrodinamika baru.

Alih-alih menggabungkan sistem yang tidak kompatibel, mereka memperoleh kerangka kerja terpadu dari prinsip-prinsip dasar. Persamaan baru mereka menggabungkan koefisien yang memperhitungkan laju reaksi dan transportasi fluida – pada dasarnya memadukan aspek terbaik dari pendekatan tradisional.

“Yang mengejutkan, ini bukanlah laju reaksi maupun koefisien transpor yang dikenal dari persamaan Navier-Stokes, tetapi kombinasi keduanya dalam bentuk koefisien kinetik yang sifatnya baru,” jelas Profesor Brilliantov.

“Mereka sama pentingnya dalam menggabungkan cairan seperti halnya viskositas dan konduktivitas termal dalam cairan biasa.”

“Dengan menggunakan simulasi komputer yang ekstensif, kami telah menunjukkan keakuratan dan relevansi persamaan hidrodinamika Smoluchowski-Euler baru kami dengan koefisien baru untuk beberapa cairan agregat yang penting secara teknologi.”

Terobosan ini memiliki implikasi bagi sistem alami dan teknologi manusia. Dengan meningkatkan ketepatan model agregasi fluida, persamaan baru akan meningkatkan prediksi di area yang tercantum di bawah ini.

  • Analisis polusi udara: Untuk memahami bagaimana partikel padat berkumpul dan tersebar di atmosfer.
  • Dinamika aliran granular : Untuk mengoptimalkan proses yang melibatkan serbuk dan bahan granular lainnya.
  • Teknologi bubuk : Untuk mengembangkan metode yang lebih efisien dalam menangani dan mengangkut bubuk.
  • Desain pesawat terbang dan otomotif : Untuk menyempurnakan dinamika fluida demi kinerja dan keselamatan yang lebih baik.

Para peneliti memvalidasi persamaan mereka melalui simulasi komputer yang ekstensif, yang menunjukkan penerapannya pada sistem dunia nyata. Pendekatan terpadu ini menghilangkan kesalahan yang disebabkan oleh model hibrida sebelumnya, sehingga membuka jalan bagi analisis yang lebih andal.

Persamaan baru tersebut menggambarkan perubahan mendasar dalam cara ilmuwan memodelkan agregasi dalam cairan. Dengan mengatasi keterbatasan yang sudah ada sejak lama, para peneliti Skoltech telah menyediakan alat yang menjembatani kesenjangan antara teori dan aplikasi.

Seperti yang dicatat Brilliantov, koefisien kinetik ini mempunyai arti penting yang sama untuk menggabungkan cairan seperti halnya sifat tradisional seperti viskositas untuk cairan biasa.

Kemajuan ini tidak hanya memperdalam pemahaman kita tentang proses alamiah, tetapi juga meningkatkan kemampuan rekayasa. Baik dalam menganalisis fenomena atmosfer, meningkatkan proses industri, atau merancang kendaraan, implikasinya sangat luas dan berjangkauan luas.

Kerangka kerja terpadu yang dikembangkan oleh Skoltech menjanjikan untuk merevolusi bidang-bidang di mana agregasi fluida memainkan peranan krusial.

(Earth.com)