Kugler af turbulens er isoleret ved hjælp af vortexringe – Physics World

Kugler af turbulens er isoleret ved hjælp af vortexringe – Physics World

Tidsstempel: 26. juli 2023 kl. 9

Kugle af turbulens
Turbulent bold: William Irvine, Takumi Matsuzawa og kolleger har brugt dette apparat til at spore turbulens med lasere og højhastighedskameraer. (Med høflighed: Takumi Matsuzawa)

Forskere i USA har isoleret en kugle af turbulens inde i en tank med vand og holdt den ved at affyre hvirvelringe fra tankens hjørner. William Irvine og kolleger ved University of Chicago siger, at deres nye teknik kan føre til en transformation i den måde, turbulens studeres eksperimentelt på.

Fra hvirvler i en strøm til hvirvlingen af ​​gas i det interstellare rum, turbulens understøtter opførselen af ​​mange forskellige systemer i naturen. Dens hovedkarakteristika er lette at få øje på og inkluderer uregelmæssige og uregelmæssige udsving i hastighed og tryk. Alligevel på trods af deres allestedsnærværende, kæmper forskere med at beskrive præcis, hvordan turbulente væsker opfører sig.

"Turbulens opstår overalt omkring os, men den bliver ved med at undvige, hvad fysikere betragter som en tilfredsstillende beskrivelse." Irvine forklarer. "For eksempel, hvis du spørger, kan jeg så forudsige, hvad der derefter sker, når jeg stikker denne turbulensregion? Svaret er nej. Ikke engang rigtig med en supercomputer."

Kontrollerede forstyrrelser

Mens turbulens kan skabes og studeres i laboratoriet, er det meget vanskeligt at forhindre en turbulent væske i at interagere med væggene i dens beholder eller det omrøringsapparat, der bruges til at generere turbulens. Indtil videre har dette tilbageslag forhindret fysikere i at forstå, hvordan turbulente væsker udvikler sig over tid, hvis de efterlades uforstyrrede, eller hvordan de reagerer på kontrollerede forstyrrelser.

For at løse denne udfordring forsøgte Irvines team at skabe et fuldstændigt isoleret område med turbulens ved hjælp af vortexringe. Disse er cirkulære hvirvler af væske, der genererer turbulens, når de kolliderer med hinanden.

I første omgang gjorde Irvine og kolleger dette ved at placere hvirvelgenererende ringstråler i hver ende af en vandtank. Vandet blev podet med bobler for at visualisere ringenes bevægelser. Selvom der først blev observeret turbulens, rekombinerede strømmene sig til sidst for at skabe nye sæt ringe, som afbøjede væk fra det oprindelige kollisionspunkt.

Otte vortex ringe

I deres seneste undersøgelse placerede Irvines team i stedet en ringstråle ved hvert hjørne af tanken – med langt mere interessante resultater. Da de otte hvirvelringe kolliderede, skabte de en nogenlunde kugleformet kugle af turbulens i midten af ​​tanken. Ikke alene var bolden fuldstændig isoleret fra tankens vægge; det kunne opretholdes blot ved at skyde flere hvirvelringe ind i tanken med jævne mellemrum.

"Ingen vidste, at dette overhovedet var muligt," siger teammedlem Takumi Matsuzawa. “Turbulens er meget god til at blande ting; hvis du blander din mælk i din kaffe, kan du kun komme en eller to hvirvler i, før den bliver helt blandet. Det faktum, at vi kan holde det på plads, er meget overraskende."

Det er som at sidde roligt på en mark med en picnic og se en storm raser 50 fod væk

William Irvine

Med denne opsætning kunne holdet kombinere hvirvelringe som LEGO-klodser - kontrollerende parametre, herunder ringenes energi og helicitet - sidstnævnte beskriver, om hvirvlerne roterede med eller mod uret.

Til gengæld kunne de finjustere parametrene for turbulensen inde i bolden og derefter observere, hvordan den udviklede sig, mens de holdt den fast med flere hvirvelringe - eller hvordan den forsvandt, da de holdt op med at tilføje nye ringe. "Det er ligesom at sidde roligt på en mark med en picnic og se en storm raser 50 fod væk," beskriver Irvine.

Forskerne håber nu, at deres arbejde kan føre til et gennembrud i udviklingen af ​​nye teknikker til at studere turbulens. Ved at skulpturere turbulente strømme ved hjælp af hvirvelringe, foreslår de, at turbulens kan behandles som en tilstand af stof med funktioner, der omhyggeligt kan kontrolleres og manipuleres.

Til gengæld kunne dette bane vejen for en bred vifte af nye eksperimenter, der udforsker mange forskellige eksempler på turbulente strømme i naturen. "Jeg håber virkelig, at dette kan være med til at åbne en ny legeplads i marken," siger Irvine.

Forskningen er beskrevet i Naturfysik.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden