Hvis du hælder vand ud af en flaske, vil væskestrømmen ofte antage en kædelignende struktur. Fysikken bag dette mærkelige fænomen har været heftigt diskuteret i mere end et århundrede, men nu kan dette mysterium være blevet løst ved eksperimenter udført af Antoine Deblais, Daniel Bonn og Daniel Jordan ved University of Amsterdam og Neil Ribe ved University of Paris-Saclay.
Når en væskestråle falder fra en ikke-cirkulær dyse, kan den danne en bølge af brede, flade og jævnt fordelte væskesektioner, der skiftevis er orienteret 90° i forhold til hinanden. Disse sektioner er adskilt af tyndere led af væske - hvilket får strukturen til at ligne en kæde (se figur).
Kernen i effekten er den ikke-cylindriske profil af strålen, når den kommer frem. For at minimere overfladespændingen forsøger strålen at blive en cylinder, men denne bevægelse overskrider og resulterer i en svingning i profilformen.
Der er dog en langvarig uenighed mellem to teorier, der beskriver, hvordan disse svingninger opstår. En teori blev fremsat af Lord Rayleigh i 1879, og den blev derefter modificeret af Niels Bohr i 1909. Rayleighs teori beskriver oscillationen som en lineær effekt, hvorimod Bohrs teori introducerer ikke-lineære effekter, der mindsker frekvensen af svingningerne, når deres amplitude øges.
Bohr vinder
Indtil nu har ingen eksperimenter afgjort, hvilken af disse teorier, der giver en mere præcis beskrivelse. For at løse dette problem har Deblais' team designet en serie af 12 elliptiske dyser med varierende størrelser og excentriciteter. Derefter målte de både frekvenser og amplituder af kædestrukturerne, som blev dannet, da de hældte vand gennem dyserne med varierende strømningshastigheder. Mens de mønstre, de observerede, var lidt uenige med Rayleighs forudsigelser, passede de stærkere med Bohrs teori.
Skjulte mønstre fundet på overfladen af vand
Baseret på deres resultater konstruerede Deblais og kolleger numeriske simuleringer af væskekædeoscillationer - igen og fandt en stærk overensstemmelse med Bohrs forudsigelser. Deres resultater er også med til at forklare, hvorfor overfladen af hver stråle blev fordybning under deres eksperimenter - et andet interessant træk ved hverdagens vandstråler. Holdet håber nu at udvide eksperimenterne og simuleringerne til at overveje andre væsker end vand, såvel som dyser med mere komplekse former.
Nu hvor en grundlæggende teori er blevet etableret, kan fremtidige eksperimenter tilbyde nyttig indsigt i en bred vifte af applikationer, hvor væsker affyres fra elliptiske dyser, herunder blækstråleudskrivning og metallurgi. Yderligere forskning kan også føre til nye teknikker til at forbedre forbrændingseffektiviteten, undertrykke støj eller forbedre kontrollen over thrustere. Andre steder kan resultaterne hjælpe forskere til bedre at forstå fremkomsten og mulig behandling af visse medicinske problemer, herunder urologiske sygdomme.
Forskningen er beskrevet i Fysisk gennemgangsvæsker.
