Fizicienii descoperă „turbulențe ascunse” în timpul Nopții înstelate a lui Van Gogh

Vârtej și vârtej —

Oamenii de știință au măsurat scalarea mișcărilor de perie pentru a ajunge la concluziile lor.

Cea mai faimoasă pictură a lui Vincent van Gogh este Noaptea înstelată (1889), creată (împreună cu alte câteva capodopere) în timpul șederii artistului la un azil din Arles în urma prăbușirii sale în decembrie 1888. Unde unii au văzut vârtejurile învolburate ale cerului nopții descrise în Noapte înstelată ca o reflectare a frământărilor interioare ale lui Van Gogh, fizicienii văd adesea o reprezentare magistrală a turbulențelor atmosferice. Potrivit unui hârtie nouă publicată în revista Physics of Fluids, iluzia mișcării în cerul albastru al lui Van Gogh se datorează și dimensiunii loviturilor de vopsea – un al doilea tip de „turbulență ascunsă” la microscara care se difuzează în întreaga pânză.

„Dezvăluie o înțelegere profundă și intuitivă a fenomenelor naturale.” a spus coautorul Yongxiang Huang de la Universitatea Xiamen din China. „Reprezentarea precisă a turbulenței lui Van Gogh ar putea proveni din studierea mișcării norilor și a atmosferei sau a unui simț înnăscut al modului de a capta dinamismul cerului.”

Ca raportate anteriorîntr-un 2014 TED-Ed discuțieNatalya St. Clair, a asociat de cercetare la Consorțiul Concord și coautor al Arta calculului mentalfolosit Noapte înstelată pentru a ilumina conceptul de turbulență într-un fluid care curge. În special, ea a vorbit despre modul în care tehnica lui van Gogh i-a permis lui (și altor pictori impresioniști) să reprezinte mișcarea luminii pe apă sau în sclipirea stelelor. Vedem acest lucru ca pe un fel de efect strălucitor, deoarece ochiul este mai sensibil la schimbările de intensitate a luminii (o proprietate numită luminanţă) decât la schimbările de culoare.

În fizică, turbulența se referă la mișcări puternice și bruște în aer sau apă, de obicei marcate de vârtejuri și vârtejuri. Fizicienii s-au luptat de secole să descrie matematic turbulențele. Este încă una dintre marile provocări rămase în domeniu. Dar un fizician rus numit Andrei Kolmogorov a făcut progrese considerabile în anii 1940, când a prezis că va exista o conexiune matematică (cunoscută acum sub numele de scalare Kolmogorov) între modul în care viteza unui flux fluctuează în timp și rata la care pierde energie ca frecare.

Adică, unele fluxuri turbulente prezintă cascade de energie, prin care vâzâiele mari transferă o parte din energia lor către vârtejuri mai mici. Vârtejurii mai mici, la rândul lor, transferă o parte din energia lor către vârtejuri și mai mici și așa mai departe, producând un model auto-similar la multe scale de dimensiuni spațiale. Dovezile experimentale de atunci au arătat că Kolmogorov nu a fost atât de departe de predicția sa.

În 2019, doi studenți absolvenți australieni analizat matematic tabloul şi a încheiat împărtășește aceleași trăsături turbulente ca norii moleculari (unde se nasc stelele literale), pe baza a Imaginea Hubble din 2004 de turbulențe turbulente de nori prăfui care se mișcă în jurul unei stele supergigant. Ei au examinat fotografii digitale ale mai multor picturi Van Gogh și au măsurat luminozitatea variată între oricare doi pixeli, calculând probabilitatea ca doi pixeli la o anumită distanță să aibă aceeași luminanță. Au găsit dovezi a ceva remarcabil de aproape de scalarea lui Kolmogorov, nu doar în Noapte înstelatădar și în alte două tablouri din aceeași perioadă din viața lui van Gogh: Câmp de grâu cu corbi şi Drum cu Chiparos și Steaua (ambele pictate în 1890).

Mișcări de perie la microscală

Huang este un om de știință marin care a colaborat cu fizicienii pentru a arunca o privire mai atentă asupra tiparelor turbulente care pândesc în capodopera lui Van Gogh. Ei s-au concentrat pe studierea scărilor spațiale ale celor 14 vârtejuri primare din pictură, folosind luminozitatea relativă a culorilor vopselei ca analog pentru energia cinetică. Mai exact, au măsurat cu precizie dimensiunea tipică a periei și apoi au comparat acele scale cu ceea ce este prezis de dinamica fluidelor.

Descoperirile lor au confirmat concluzia din 2019 conform căreia pictura generală se aliniază îndeaproape cu legea lui Kolmogorov. Echipa a descoperit, de asemenea, că, la microscală, vopseaua se aliniază cu un fenomen diferit cunoscut sub numele de Scalarea batchelornumit după matematicianul australian George Batchelorcare s-a specializat în dinamica fluidelor. Este similar cu legea lui Kolmogorov, cu excepția faptului că în loc să descrie cele mai mici scale de turbulență înainte ca vâscozitatea să devină dominantă într-un sistem, scalarea Batchelor descrie scalele de fluctuații de cea mai mică lungime înainte ca difuzia să devină dominantă. Potrivit autorilor, este destul de rar să găsești ambele tipuri de scalare într-un singur sistem atmosferic.

Aceasta este încă o dovadă că van Gogh a avut un simț intuitiv al turbulenței fin reglat și a surprins-o frumos în Noapte înstelată. Pot exista și implicații pentru dinamica fluidelor. „Se crede că turbulența este una dintre proprietățile intrinseci ale fluxurilor Reynolds mari, dominate de inerție, dar recent, au fost raportate fenomene asemănătoare turbulenței pentru diferite tipuri de sisteme de curgere la o gamă largă de scări spațiale, cu numere Reynolds scăzute unde vâscozitatea este mai dominant,” spuse Huang. „Se pare că este timpul să propunem o nouă definiție a turbulenței pentru a cuprinde mai multe situații.”

Fizica fluidelor, 2024. DOI: 10.1063/5.0213627 (Despre DOI).