ボトルから水を注ぐと、液体の流れはしばしば鎖のような構造をとります。 この奇妙な現象の背後にある物理学は、XNUMX 世紀以上にわたって熱く議論されてきましたが、現在、この謎は、 アントワーヌ・ドゥブレ、アムステルダム大学のダニエル・ボンとダニエル・ジョーダン、パリ・サクレー大学のニール・リーベ。
液体のジェットが非円形のノズルから落ちると、互いに90°で交互に配向された、広く平らで等間隔の液体のセクションの波を形成できます。 これらのセクションは、液体の薄いリンクによって分離されており、構造がチェーンに似ています (図を参照)。
効果の中心にあるのは、噴出時のジェットの非円筒形プロファイルです。 表面張力を最小限に抑えるために、ジェットは円柱になろうとしますが、この動きがオーバーシュートし、プロファイル形状に振動が生じます。
ただし、これらの振動がどのように発生するかを説明する 1879 つの理論の間には、長年の不一致があります。 1909 年にレイリー卿によって XNUMX つの理論が提唱され、XNUMX 年にニールス ボーアによって修正されました。レイリーの理論は振動を線形効果として説明しますが、ボーアの理論は振幅が増加するにつれて振動の周波数を減少させる非線形効果を導入します。
ボーアが勝つ
これまで、これらの理論のどれがより正確な説明を提供するかを決定した実験はありません。 この問題を解決するために、Deblais のチームは、さまざまなサイズと偏心を持つ一連の 12 個の楕円形ノズルを設計しました。 次に、さまざまな流量でノズルから水を注いだときに形成される連鎖構造の周波数と振幅の両方を測定しました。 彼らが観察したパターンは、レイリーの予測とはわずかに一致しませんでしたが、ボーアの理論とより強く一致しました。
水面に隠された模様
その結果に基づいて、Deblais と同僚は液体鎖振動の数値シミュレーションを構築し、Bohr の予測との強い一致を見つけました。 彼らの結果は、実験中に各ジェットの表面がくぼんだ理由を説明するのにも役立ちます。これは、日常のウォータージェットのもうXNUMXつの興味深い特徴です。 チームは現在、実験とシミュレーションを拡張して、水以外の液体や、より複雑な形状のノズルを検討したいと考えています。
基本的な理論が確立されたので、将来の実験は、インクジェット印刷や冶金など、液体が楕円形のノズルから発射されるさまざまな用途で有用な洞察を提供する可能性があります。 さらなる研究は、燃焼効率の向上、騒音の抑制、またはスラスターの制御の改善のための新しい技術にもつながる可能性があります。 他の場所では、研究者が泌尿器疾患を含む特定の医学的問題の出現と可能な治療法をよりよく理解するのに役立つかもしれません.
研究はで説明されています 物理レビュー流体.
