Εάν ρίξετε νερό από ένα μπουκάλι, το ρεύμα υγρού θα υιοθετήσει συχνά μια δομή που μοιάζει με αλυσίδα. Η φυσική πίσω από αυτό το περίεργο φαινόμενο έχει συζητηθεί έντονα για περισσότερο από έναν αιώνα, αλλά τώρα αυτό το μυστήριο μπορεί να έχει λυθεί με πειράματα που έγιναν από Αντουάν Ντεμπλέ, Daniel Bonn και Daniel Jordan στο Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ και Neil Ribe στο Πανεπιστήμιο Paris-Saclay.
Όταν ένας πίδακας υγρού πέφτει από ένα μη κυκλικό ακροφύσιο, μπορεί να σχηματίσει ένα κύμα πλατιών, πεπλατυσμένων και ομοιόμορφων τμημάτων υγρού που προσανατολίζονται εναλλάξ στις 90° μεταξύ τους. Αυτά τα τμήματα χωρίζονται με λεπτότερους κρίκους υγρού – κάνοντας τη δομή να μοιάζει με αλυσίδα (βλ. σχήμα).
Στο επίκεντρο του εφέ βρίσκεται το μη κυλινδρικό προφίλ του πίδακα καθώς αναδύεται. Για να ελαχιστοποιηθεί η επιφανειακή τάση, ο πίδακας προσπαθεί να γίνει κύλινδρος, αλλά αυτή η κίνηση υπερβαίνει και οδηγεί σε μια ταλάντωση στο σχήμα του προφίλ.
Ωστόσο, υπάρχει μια μακροχρόνια διαφωνία μεταξύ δύο θεωριών που περιγράφουν πώς συμβαίνουν αυτές οι ταλαντώσεις. Μια θεωρία προτάθηκε από τον Λόρδο Rayleigh το 1879 και στη συνέχεια τροποποιήθηκε από τον Niels Bohr το 1909. Η θεωρία του Rayleigh περιγράφει την ταλάντωση ως γραμμικό φαινόμενο, ενώ η θεωρία του Bohr εισάγει μη γραμμικά φαινόμενα που μειώνουν τη συχνότητα των ταλαντώσεων καθώς αυξάνεται το πλάτος τους.
Ο Μπορ κερδίζει
Μέχρι τώρα, κανένα πείραμα δεν έχει καθορίσει ποια από αυτές τις θεωρίες προσφέρει πιο ακριβή περιγραφή. Για να επιλύσει αυτό το ζήτημα, η ομάδα του Deblais σχεδίασε μια σειρά από 12 ελλειπτικά ακροφύσια με διάφορα μεγέθη και εκκεντρότητες. Στη συνέχεια μέτρησαν τόσο τις συχνότητες όσο και τα πλάτη των δομών της αλυσίδας που σχηματίστηκαν καθώς έριχναν νερό μέσα από τα ακροφύσια με ποικίλους ρυθμούς ροής. Ενώ τα μοτίβα που παρατήρησαν διαφωνούσαν ελαφρώς με τις προβλέψεις του Rayleigh, ευθυγραμμίστηκαν πιο έντονα με τη θεωρία του Bohr.
Κρυφά σχέδια που βρέθηκαν στην επιφάνεια του νερού
Με βάση τα αποτελέσματά τους, ο Deblais και οι συνεργάτες του κατασκεύασαν αριθμητικές προσομοιώσεις ταλαντώσεων υγρής αλυσίδας – και πάλι, βρίσκοντας μια ισχυρή συμφωνία με τις προβλέψεις του Bohr. Τα αποτελέσματά τους βοηθούν επίσης να εξηγήσουν γιατί η επιφάνεια κάθε πίδακα έγινε λακκάκι κατά τη διάρκεια των πειραμάτων τους - ένα άλλο ενδιαφέρον χαρακτηριστικό των καθημερινών πίδακων νερού. Η ομάδα ελπίζει τώρα να επεκτείνει τα πειράματα και τις προσομοιώσεις για να εξετάσει άλλα υγρά εκτός από νερό, καθώς και ακροφύσια με πιο πολύπλοκα σχήματα.
Τώρα που έχει καθιερωθεί μια βασική θεωρία, μελλοντικά πειράματα θα μπορούσαν να προσφέρουν χρήσιμες γνώσεις σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών όπου τα υγρά εκτοξεύονται από ελλειπτικά ακροφύσια, συμπεριλαμβανομένης της εκτύπωσης με έγχυση μελάνης και της μεταλλουργίας. Περαιτέρω έρευνα θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει σε νέες τεχνικές για τη βελτίωση της απόδοσης της καύσης, την καταστολή του θορύβου ή τη βελτίωση του ελέγχου στους προωθητές. Σε άλλο σημείο, τα ευρήματα θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους ερευνητές να κατανοήσουν καλύτερα την εμφάνιση και την πιθανή θεραπεία ορισμένων ιατρικών ζητημάτων, συμπεριλαμβανομένων των ουρολογικών ασθενειών.
Η έρευνα περιγράφεται στο Φυσικά υγρά ελέγχου.
