A turbulenciagolyókat örvénygyűrűk segítségével izolálják – Physics World

Amerikai kutatók egy turbulenciagolyót izoláltak egy víztartályban, és úgy tartották fenn, hogy örvénygyűrűket lőttek ki a tartály sarkaiból. William Irvine és munkatársai a Chicagói Egyetemről azt mondják, hogy új technikájuk a turbulencia kísérleti tanulmányozásának átalakulásához vezethet.

A patak örvényeitől a csillagközi térben a gázok örvényléséig a turbulencia számos különböző természeti rendszer viselkedését alapozza meg. Fő jellemzői könnyen észrevehetők, és a sebesség és a nyomás szabálytalan és szabálytalan ingadozásai is szerepelnek. Ennek ellenére mindenütt jelenlétük ellenére a kutatók küzdenek azzal, hogy pontosan leírják, hogyan viselkednek a turbulens folyadékok.

"A turbulencia mindenhol megjelenik körülöttünk, de folyamatosan elkerüli azt, amit a fizikusok kielégítő leírásnak tartanak." – magyarázza Irvine. „Például, ha azt kérdezi, meg tudom-e jósolni, hogy mi történik ezután, amikor megpiszkálom ezt a turbulencia régiót? A válasz nem. Még csak nem is igazán szuperszámítógéppel.”

Ellenőrzött zavarok

Noha turbulenciát lehet létrehozni és tanulmányozni a laboratóriumban, nagyon nehéz megakadályozni, hogy egy turbulens folyadék kölcsönhatásba lépjen a tartály falaival vagy a turbulenciát generáló keverőberendezéssel. Eddig ez a visszaesés megakadályozta a fizikusokat abban, hogy megértsék, hogyan fejlődnek a turbulens folyadékok az idő múlásával, ha nem zavarják őket, vagy hogyan reagálnak az ellenőrzött zavarokra.

Ennek a kihívásnak a megoldása érdekében Irvine csapata egy teljesen elszigetelt turbulenciarégiót próbált létrehozni örvénygyűrűk segítségével. Ezek körkörös folyadékörvények, amelyek turbulenciát generálnak, amikor egymással ütköznek.

Eleinte Irvine és munkatársai ezt úgy tették, hogy örvényt generáló gyűrűs fúvókákat helyeztek el a víztartály mindkét végén. A vizet buborékokkal oltották be, hogy láthatóvá tegyék a gyűrűk mozgását. Bár kezdetben turbulenciát figyeltek meg, az áramlások végül újraegyesültek, és új gyűrűket hoztak létre, amelyek eltértek az eredeti ütközési ponttól.

Nyolc örvénygyűrű

Legújabb tanulmányukban Irvine csapata ehelyett egy-egy gyűrűs fúvókát helyezett el a tartály minden sarkában – sokkal érdekesebb eredményekkel. Amikor a nyolc örvénygyűrű összeütközött, egy nagyjából gömb alakú turbulenciagolyót hoztak létre a tartály közepén. Nemcsak a labda volt teljesen elszigetelve a tank falától; egyszerűen fenntartható lenne, ha időnként több örvénygyűrűt lőnek a tartályba.

„Senki sem tudta, hogy ez lehetséges” – mondja a csapat tagja Takumi Matsuzawa. „A turbulencia nagyon jól keveri a dolgokat; ha a tejet belekevered a kávéba, csak egy-két kavargást kaphatsz, mielőtt teljesen összekeveredne. Nagyon meglepő, hogy a helyén tudjuk tartani.”

Mintha nyugodtan ülnénk egy mezőn egy piknik mellett, és egy 50 méterrel arrébb tomboló vihart néznénk

William Irvine

Ezzel a beállítással a csapat kombinálhat örvénygyűrűket, például LEGO blokkokat – amelyek paramétereket vezérelnek, beleértve a gyűrűk energiáját és helicitását –, amely utóbbi leírja, hogy az örvények az óramutató járásával megegyezően vagy ellentétes irányban forognak-e.

A turbulens áramlás mégis univerzális?

Viszont finomhangolhatták a golyón belüli turbulencia paramétereit, majd megfigyelhették, hogyan fejlődött, miközben több örvénygyűrűvel tartották fenn – vagy hogyan oszlott el, amikor abbahagyták az új gyűrűk hozzáadását. „Olyan ez, mintha nyugodtan ülnénk egy mezőn egy piknik mellett, és egy 50 méterrel arrébb tomboló vihart néznénk” – írja le Irvine.

A kutatók most azt remélik, hogy munkájuk áttörést hozhat a turbulencia tanulmányozására szolgáló új technikák kifejlesztésében. A turbulens áramlások örvénygyűrűkkel történő formázásával azt sugallják, hogy a turbulenciát olyan halmazállapotként lehetne kezelni, amelynek jellemzői gondosan irányíthatók és manipulálhatók.

Ez pedig utat nyithat új kísérletek sokfélesége előtt, amelyek a természet turbulens áramlásainak számos példáját kutatják. „Nagyon remélem, hogy ez segíthet egy új játszótér megnyitásában a területen” – mondja Irvine.

A kutatás leírása a Természetfizika.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Autóipar / elektromos járművek, Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• BlockOffsets. A környezetvédelmi ellentételezési tulajdon korszerűsítése. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/balls-of-turbulence-are-isolated-using-vortex-rings/