Οι μπάλες αναταράξεων απομονώνονται χρησιμοποιώντας δακτυλίους δίνης – Physics World

Ερευνητές στις ΗΠΑ απομόνωσαν μια σφαίρα αναταράξεων μέσα σε μια δεξαμενή νερού και τη συντήρησαν εκτοξεύοντας δακτυλίους στροβιλισμού από τις γωνίες της δεξαμενής. Ουίλιαμ Ίρβιν και συνάδελφοι στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο λένε ότι η νέα τους τεχνική θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια μεταμόρφωση στον τρόπο με τον οποίο οι αναταράξεις μελετώνται πειραματικά.

Από τις δίνες σε ένα ρεύμα μέχρι τον στροβιλισμό του αερίου στο διαστρικό διάστημα, οι αναταράξεις στηρίζουν τη συμπεριφορά πολλών διαφορετικών συστημάτων στη φύση. Τα κύρια χαρακτηριστικά του είναι εύκολο να εντοπιστούν και περιλαμβάνουν ακανόνιστες και ασταθείς διακυμάνσεις στην ταχύτητα και την πίεση. Ωστόσο, παρά την πανταχού παρουσία τους, οι ερευνητές αγωνίζονται να περιγράψουν ακριβώς πώς συμπεριφέρονται τα τυρβώδη υγρά.

«Οι αναταράξεις εμφανίζονται παντού γύρω μας, αλλά συνεχίζει να διαφεύγει αυτό που οι φυσικοί θεωρούν μια ικανοποιητική περιγραφή». Ο Irvine εξηγεί. «Για παράδειγμα, αν ρωτήσετε, μπορώ να προβλέψω τι θα συμβεί στη συνέχεια όταν σπρώξω αυτήν την περιοχή αναταράξεων; Η απάντηση είναι όχι. Ούτε καν με υπερυπολογιστή».

Ελεγχόμενες διαταραχές

Ενώ οι αναταράξεις μπορούν να δημιουργηθούν και να μελετηθούν στο εργαστήριο, είναι πολύ δύσκολο να αποτραπεί η αλληλεπίδραση ενός τυρβώδους ρευστού με τα τοιχώματα του δοχείου του ή με τη συσκευή ανάδευσης που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία αναταράξεων. Μέχρι στιγμής, αυτή η οπισθοδρόμηση έχει αποτρέψει τους φυσικούς από το να κατανοήσουν πώς τα τυρβώδη υγρά εξελίσσονται με την πάροδο του χρόνου αν δεν διαταραχθούν ή πώς αντιδρούν σε ελεγχόμενες διαταραχές.

Για να αντιμετωπίσει αυτή την πρόκληση, η ομάδα του Irvine προσπάθησε να δημιουργήσει μια εντελώς απομονωμένη περιοχή αναταράξεων χρησιμοποιώντας δακτυλίους στροβιλισμού. Πρόκειται για κυκλικούς στροβίλους ρευστού που δημιουργούν αναταράξεις καθώς συγκρούονται μεταξύ τους.

Στην αρχή, ο Irvine και οι συνεργάτες του το έκαναν αυτό τοποθετώντας πίδακες δακτυλίου που παράγουν δίνη στα δύο άκρα μιας δεξαμενής νερού. Το νερό σπάρθηκε με φυσαλίδες για να απεικονιστούν οι κινήσεις των δακτυλίων. Αν και αρχικά παρατηρήθηκαν αναταράξεις, οι ροές τελικά ανασυνδυάστηκαν για να δημιουργήσουν νέα σύνολα δακτυλίων, τα οποία αποκλίνονταν από το αρχικό σημείο σύγκρουσης.

Οκτώ δακτύλιοι δίνης

Στην τελευταία τους μελέτη, η ομάδα του Irvine τοποθέτησε αντ 'αυτού έναν πίδακα δακτυλίου σε κάθε γωνία της δεξαμενής - με πολύ πιο ενδιαφέροντα αποτελέσματα. Καθώς οι οκτώ δακτύλιοι στροβιλισμού συγκρούστηκαν, δημιούργησαν μια κατά προσέγγιση σφαιρική σφαίρα αναταράξεων στο κέντρο της δεξαμενής. Όχι μόνο η μπάλα ήταν εντελώς απομονωμένη από τα τοιχώματα του τανκ. θα μπορούσε να διατηρηθεί απλώς με την εκτόξευση περισσότερων δακτυλίων στροβιλισμού στη δεξαμενή περιοδικά.

«Κανείς δεν ήξερε ότι αυτό ήταν καν δυνατό», λέει το μέλος της ομάδας Τακούμι Ματσουζάβα. «Οι αναταράξεις είναι πολύ καλοί στην ανάμειξη πραγμάτων. Αν αναμίξετε το γάλα σας στον καφέ σας, μπορείτε να πάρετε μόνο ένα ή δύο στροβιλισμούς πριν ανακατευτεί τελείως. Το γεγονός ότι μπορούμε να το συγκρατήσουμε στη θέση του είναι πολύ περίεργο».

Είναι σαν να κάθεσαι ήρεμα σε ένα χωράφι με ένα πικνίκ και να παρακολουθείς μια καταιγίδα που μαίνεται 50 πόδια μακριά

Ουίλιαμ Ίρβιν

Με αυτή τη ρύθμιση, η ομάδα θα μπορούσε να συνδυάσει δακτυλίους στροβιλισμού, όπως μπλοκ LEGO - ελέγχοντας παραμέτρους, συμπεριλαμβανομένης της ενέργειας και της ελικοειδούς των δακτυλίων - οι τελευταίες περιγράφοντας εάν οι στροβιλισμοί περιστρέφονταν δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα.

Είναι τελικά η τυρβώδης ροή καθολική;

Με τη σειρά τους, μπορούσαν να ρυθμίσουν με ακρίβεια τις παραμέτρους της αναταραχής μέσα στη μπάλα και μετά να παρατηρήσουν πώς εξελίχθηκε καθώς τη συντηρούσαν με περισσότερους δακτυλίους δίνης - ή πώς διαλύθηκε καθώς σταμάτησαν να προσθέτουν νέους δακτυλίους. «Είναι σαν να κάθεσαι ήρεμα σε ένα χωράφι με ένα πικνίκ και να παρακολουθείς μια καταιγίδα που μαίνεται 50 πόδια μακριά», περιγράφει ο Irvine.

Οι ερευνητές τώρα ελπίζουν ότι η εργασία τους θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια σημαντική ανακάλυψη στην ανάπτυξη νέων τεχνικών για τη μελέτη των αναταράξεων. Σμιλεύοντας τυρβώδεις ροές χρησιμοποιώντας δακτυλίους στροβιλισμού, προτείνουν ότι η αναταραχή θα μπορούσε να αντιμετωπιστεί ως κατάσταση της ύλης με χαρακτηριστικά που μπορούν να ελεγχθούν προσεκτικά και να χειριστούν.

Με τη σειρά του, αυτό θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για μια ποικιλία νέων πειραμάτων, εξερευνώντας πολλά διαφορετικά παραδείγματα τυρβωδών ροών στη φύση. «Ελπίζω πραγματικά ότι αυτό μπορεί να βοηθήσει στο άνοιγμα μιας νέας παιδικής χαράς στο γήπεδο», λέει ο Irvine.

Η έρευνα περιγράφεται στο Φυσική της Φύσης.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Αυτοκίνητο / EVs, Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• BlockOffsets. Εκσυγχρονισμός της περιβαλλοντικής αντιστάθμισης ιδιοκτησίας. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/balls-of-turbulence-are-isolated-using-vortex-rings/