توپ های تلاطم با استفاده از حلقه های گردابی جدا می شوند - دنیای فیزیک

توپ های تلاطم با استفاده از حلقه های گردابی جدا می شوند - دنیای فیزیک

تمبر زمان: 26 ژوئیه 2023، 9:05 صبح

توپ تلاطم
توپ آشفته: ویلیام اروین، تاکومی ماتسوزاوا و همکارانش از این دستگاه برای ردیابی تلاطم با لیزر و دوربین‌های پرسرعت استفاده کرده‌اند. (با احترام: Takumi Matsuzawa)

محققان آمریکایی یک توپ تلاطمی را در داخل یک مخزن آب جدا کرده و با شلیک حلقه‌های گردابی از گوشه‌های مخزن آن را حفظ کردند. ویلیام اروین و همکارانش در دانشگاه شیکاگو می گویند که تکنیک جدید آنها می تواند منجر به دگرگونی در روش مطالعه تجربی تلاطم شود.

از گرداب‌ها در یک جریان گرفته تا چرخش گاز در فضای بین‌ستاره‌ای، تلاطم زیربنای رفتار بسیاری از سیستم‌های مختلف در طبیعت است. مشخصه های اصلی آن آسان است و شامل نوسانات نامنظم و نامنظم در سرعت و فشار است. با این حال، علیرغم فراگیر بودن آنها، محققان در تلاش برای توصیف دقیق نحوه رفتار سیالات متلاطم هستند.

تلاطم در همه جا در اطراف ما ظاهر می شود، اما همچنان از آنچه فیزیکدانان توصیف رضایت بخشی می دانند، فرار می کند. ایروین توضیح می دهد. به عنوان مثال، اگر بپرسید، آیا می‌توانم پیش‌بینی کنم که وقتی این منطقه از آشفتگی را فشار می‌دهم چه اتفاقی می‌افتد؟ پاسخ منفی است. نه واقعاً با یک ابر رایانه.»

اختلالات کنترل شده

در حالی که تلاطم را می توان در آزمایشگاه ایجاد و مطالعه کرد، جلوگیری از برهم کنش سیال متلاطم با دیواره های ظرف یا دستگاه همزن مورد استفاده برای ایجاد تلاطم بسیار دشوار است. تاکنون، این عقب‌نشینی فیزیکدانان را از درک چگونگی تکامل سیالات متلاطم در طول زمان، در صورت عدم مزاحمت، یا واکنش آنها به اختلالات کنترل‌شده، باز داشته است.

برای مقابله با این چالش، تیم ایروین به دنبال ایجاد یک منطقه کاملاً ایزوله از تلاطم با استفاده از حلقه‌های گردابی بود. اینها چرخش های دایره ای سیال هستند که در برخورد با یکدیگر تلاطم ایجاد می کنند.

در ابتدا، ایروین و همکارانش این کار را با قرار دادن جت های حلقه ای تولید کننده گرداب در دو انتهای مخزن آب انجام دادند. برای تجسم حرکات حلقه‌ها، آب را با حباب‌هایی بذرپاشی کردند. اگرچه در ابتدا تلاطم مشاهده شد، جریان ها در نهایت برای ایجاد مجموعه های جدیدی از حلقه ها، که از نقطه اصلی برخورد منحرف شدند، دوباره ترکیب شدند.

هشت حلقه گرداب

در جدیدترین مطالعه خود، تیم ایروین در عوض یک جت حلقه ای را در هر گوشه تانک قرار داد - با نتایج بسیار جالب تر. با برخورد هشت حلقه گرداب، آنها یک توپ تقریباً کروی از تلاطم در مرکز تانک ایجاد کردند. نه تنها توپ به طور کامل از دیواره های تانک جدا شد. می توان آن را به سادگی با شلیک دوره ای حلقه های گردابی بیشتر به داخل مخزن حفظ کرد.

یکی از اعضای تیم می‌گوید: «هیچ‌کس نمی‌دانست که این امکان پذیر است تاکومی ماتسوزاوا. تلاطم در مخلوط کردن چیزها بسیار خوب است. اگر شیر خود را با قهوه خود مخلوط کنید، فقط می توانید یک یا دو چرخش را قبل از مخلوط شدن کامل وارد کنید. این واقعیت که ما می‌توانیم آن را در جای خود مهار کنیم بسیار شگفت‌آور است.»

مثل این است که با آرامش در مزرعه ای با پیک نیک نشسته باشید و طوفانی را در فاصله 50 فوتی تماشا کنید.

ویلیام اروین

با این تنظیمات، تیم می‌تواند حلقه‌های گردابی مانند بلوک‌های LEGO را ترکیب کند - پارامترهای کنترل کننده انرژی و پیچ‌خوردگی حلقه‌ها - که دومی توصیف می‌کند که آیا گرداب‌ها در جهت عقربه‌های ساعت می‌چرخند یا خلاف جهت عقربه‌های ساعت.

به نوبه خود، آنها می توانند پارامترهای تلاطم درون توپ را به خوبی تنظیم کنند، سپس مشاهده کنند که چگونه آن را با حلقه های گرداب بیشتر حفظ می کنند - یا چگونه با توقف اضافه کردن حلقه های جدید از بین می رود. ایروین توضیح می‌دهد: «مثل این است که با آرامش در زمینی با پیک‌نیک بنشینیم و طوفانی را در فاصله 50 فوتی تماشا کنیم.

اکنون محققان امیدوارند که کار آنها بتواند به پیشرفتی در توسعه تکنیک های جدید برای مطالعه تلاطم منجر شود. با مجسمه سازی جریان های آشفته با استفاده از حلقه های گردابی، آنها پیشنهاد می کنند که تلاطم را می توان به عنوان یک حالت ماده با ویژگی هایی که می توان به دقت کنترل و دستکاری کرد، در نظر گرفت.

به نوبه خود، این می‌تواند راه را برای مجموعه‌ای از آزمایش‌های جدید، کاوش نمونه‌های مختلف از جریان‌های متلاطم در طبیعت هموار کند. ایروین می‌گوید: «من واقعاً امیدوارم که این بتواند به باز کردن یک زمین بازی جدید در این زمینه کمک کند.

تحقیق در شرح داده شده است فیزیک طبیعت.

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک