Mais pour observer comment chaque tourbillon de fluide se déplace, regarder comment une particule se déplace n'est pas suffisant. Les physiciens doivent être capables de déterminer comment deux particules distantes l'une de l'autre se déplacent l'une par rapport à l'autre. Plus le tourbillon est petit, plus les deux particules doivent être rapprochées pour caractériser le mouvement du vortex.

Pour rendre les choses plus difficiles, l'une des caractéristiques déterminantes de la turbulence est sa diffusivité - un écoulement turbulent s'étalera au fil du temps, et les traceurs aussi, surtout dans les flux ouverts, comme un courant océanique. Dans de nombreux cas, les traceurs peuvent rapidement s'étendre trop loin les uns des autres pour mesurer le comportement des tourbillons.

"Chaque particule traceuse se déplace indépendamment les unes des autres, vous avez donc besoin de beaucoup de particules de traceur afin de trouver celles qui sont à la bonne distance les unes des autres, " a expliqué le professeur Marco Rosti, qui dirige l'Unité Fluides et écoulements complexes de l'OIST.

"Et trop de particules traceuses peuvent en fait perturber le flux, " il ajouta.

Pour contourner ce problème, l'équipe de recherche a développé une solution innovante et simple au problème :utiliser des fibres au lieu de particules de traceur.

Les chercheurs ont créé une simulation informatique où des fibres de différentes longueurs ont été ajoutées à un écoulement turbulent. Ces fibres étaient rigides, qui maintenait les extrémités de chaque fibre à une distance fixe. En suivant comment chaque fibre s'est déplacée et tournée dans le fluide au fil du temps, les chercheurs ont pu construire une image qui englobe toute l'échelle et la structure de l'écoulement turbulent.

"En utilisant des fibres rigides, on peut mesurer la différence de vitesse et de sens de l'écoulement en deux points distants d'une distance fixe, et nous pouvons voir comment ces différences changent en fonction de l'échelle du tourbillon. Les fibres les plus courtes nous ont également permis de mesurer avec précision la vitesse à laquelle l'énergie cinétique du fluide est transférée de la plus grande à la plus petite échelle, où elle est ensuite dissipée par la chaleur. Cette valeur, appelé taux de dissipation d'énergie, est une grandeur cruciale dans la caractérisation des écoulements turbulents, " a déclaré le professeur Rosti.

Les chercheurs ont également réalisé la même expérience en laboratoire. Ils fabriquaient deux fibres différentes, l'un en nylon et l'autre en un polymère appelé polydiméthylsiloxane. L'équipe a testé ces deux fibres en les ajoutant à un réservoir d'eau contenant de l'eau turbulente et a constaté que les fibres donnaient des résultats similaires à la simulation.

Cependant, l'utilisation de fibres rigides s'accompagne d'une mise en garde importante, les scientifiques ont souligné, car le mouvement global des extrémités des fibres est restreint.

"En raison de la rigidité des fibres, les extrémités des fibres ne peuvent pas se déplacer l'une vers l'autre, même si c'est le sens du flux. Cela signifie qu'une fibre ne peut pas représenter pleinement le mouvement de l'écoulement de la même manière que les particules de traceur peuvent, " a expliqué le Dr Olivieri. " Donc, avant même de commencer des simulations ou des expériences de laboratoire, nous devions d'abord développer une théorie appropriée qui tienne compte de ces limitations de mouvement. C'était peut-être la partie la plus difficile du projet."

Les chercheurs ont également mesuré le même écoulement turbulent en laboratoire de manière conventionnelle, en ajoutant une forte concentration de particules de traceur dans le réservoir d'eau. Les résultats obtenus par les deux méthodes différentes étaient similaires, vérifier que la méthode de la fibre et la théorie nouvellement développée ont donné des informations précises.

Avancer, les chercheurs espèrent étendre leur méthode pour incorporer des fibres flexibles qui ont moins de restrictions sur la façon dont elles se déplacent. Ils prévoient également de développer une théorie qui peut aider à mesurer la turbulence dans des fluides non newtoniens plus complexes qui se comportent différemment de l'eau ou de l'air.

"Cette nouvelle technique a beaucoup de potentiel passionnant, en particulier pour les scientifiques qui étudient la turbulence dans les grands, les flux ouverts comme les courants océaniques, " a déclaré le professeur Rosti. " Et être capable de mesurer facilement des quantités qui étaient auparavant difficiles à obtenir nous rapproche un peu plus de la compréhension complète de la turbulence. "