כדורי מערבולת מבודדים באמצעות טבעות מערבולת - עולם הפיזיקה

חוקרים בארה"ב בודדו כדור של מערבולות בתוך מיכל מים וקיימו אותו על ידי ירי טבעות מערבולת מפינות הטנק. וויליאם אירווין ועמיתים מאוניברסיטת שיקגו אומרים שהטכניקה החדשה שלהם עלולה להוביל לשינוי באופן שבו חוקרים את המערבולת בניסוי.

מערבולות בזרם ועד למערבולת הגז בחלל הבין-כוכבי, המערבולת עומדת בבסיס ההתנהגות של מערכות רבות ושונות בטבע. קל לזהות את המאפיינים העיקריים שלו וכוללים תנודות לא סדירות ולא סדירות במהירות ובלחץ. עם זאת, למרות נוכחותם בכל מקום, החוקרים מתקשים לתאר בדיוק כיצד מתנהגים נוזלים סוערים.

"מערבולת מופיעה בכל מקום סביבנו, אבל היא לא מפסיקה לחמוק ממה שפיזיקאים רואים כתיאור מספק." אירווין מסבירה. "לדוגמה, אם אתה שואל, האם אני יכול לחזות מה יקרה לאחר מכן כשאני תוקע את אזור המערבולת הזה? התשובה היא לא. אפילו לא ממש עם מחשב על".

הפרעות מבוקרות

בעוד שניתן ליצור ולחקור מערבולות במעבדה, קשה מאוד למנוע מנוזל סוער לקיים אינטראקציה עם דפנות המיכל שלו, או עם מנגנון הערבול המשמש ליצירת מערבולות. עד כה, נסיגה זו מנעה מפיזיקאים להבין כיצד נוזלים סוערים מתפתחים לאורך זמן אם הם נותרים ללא הפרעה, או כיצד הם מגיבים להפרעות מבוקרות.

כדי להתמודד עם האתגר הזה, הצוות של אירווין ביקש ליצור אזור מבודד לחלוטין של מערבולות באמצעות טבעות מערבולת. אלו הן מערבולות מעגליות של נוזל היוצרות מערבולות כשהן מתנגשות זו בזו.

בתחילה, אירווין ועמיתיו עשו זאת על ידי הצבת סילוני טבעת יוצרי מערבולת בשני קצותיו של מיכל מים. זרעו את המים בבועות כדי לדמיין את תנועות הטבעות. למרות שבהתחלה נצפתה מערבולות, הזרמים בסופו של דבר התחברו מחדש ויצרו קבוצות חדשות של טבעות, שהסטו הרחק מנקודת ההתנגשות המקורית.

שמונה טבעות מערבולת

במחקר האחרון שלהם, הצוות של אירווין הציב במקום סילון טבעת בכל פינה של הטנק - עם תוצאות הרבה יותר מעניינות. כאשר שמונה טבעות המערבולת התנגשו, הן יצרו כדור כדורי בערך של מערבולות במרכז הטנק. לא רק שהכדור היה מבודד לחלוטין מקירות הטנק; זה יכול להתקיים פשוט על ידי ירי יותר טבעות מערבולת לתוך הטנק מעת לעת.

"אף אחד לא ידע שזה בכלל אפשרי", אומר חבר הצוות טאקומי מצוזאווה. "מערבולת טובה מאוד לערבב דברים; אם אתה מערבב את החלב שלך בקפה שלך, אתה יכול להכניס רק מערבולת אחת או שתיים לפני שהוא יתערבב לחלוטין. העובדה שאנחנו יכולים להכיל את זה במקום היא מאוד מפתיעה".

זה כמו לשבת בשלווה בשדה עם פיקניק ולצפות בסערה המשתוללת במרחק של 50 רגל

וויליאם אירווין

עם ההגדרה הזו, הצוות יכול לשלב טבעות מערבולת כמו קוביות LEGO - שליטה בפרמטרים כולל האנרגיה וההליסיות של הטבעות - האחרון מתאר אם המערבולות מסתובבות עם כיוון השעון או נגד כיוון השעון.

האם זרימה סוערת היא אוניברסלית בכל זאת?

בתורם, הם יכלו לכוונן עדין את הפרמטרים של המערבולת בתוך הכדור, ואז לראות כיצד היא התפתחה כשהם מחזקים אותה עם יותר טבעות מערבולת - או כיצד היא התפוגגה כשהם הפסיקו להוסיף טבעות חדשות. "זה כמו לשבת בשלווה בשדה עם פיקניק ולצפות בסערה המשתוללת במרחק של 50 מטרים משם", מתאר אירווין.

החוקרים מקווים כעת שעבודתם תוכל להוביל לפריצת דרך בפיתוח טכניקות חדשות לחקר מערבולות. על ידי פיסול זרימות סוערות באמצעות טבעות מערבולת, הם מציעים שניתן להתייחס למערבולת כאל מצב של חומר עם תכונות שניתן לשלוט בהן בקפידה ולתפעל אותן.

בתורו, זה יכול לסלול את הדרך למערך מגוון של ניסויים חדשים, לחקור דוגמאות רבות ושונות של זרימות סוערות בטבע. "אני באמת מקווה שזה יכול לעזור לפתוח מגרש משחקים חדש בשטח", אומר אירווין.

המחקר מתואר ב פיזיקת טבע.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. רכב / רכבים חשמליים, פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• BlockOffsets. מודרניזציה של בעלות על קיזוז סביבתי. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/balls-of-turbulence-are-isolated-using-vortex-rings/