Hvis du heller vann ut av en flaske, vil væskestrømmen ofte få en kjedelignende struktur. Fysikken bak dette merkelige fenomenet har vært heftig diskutert i mer enn et århundre, men nå kan dette mysteriet ha blitt løst ved eksperimenter utført av Antoine Deblais, Daniel Bonn og Daniel Jordan ved Universitetet i Amsterdam og Neil Ribe ved Universitetet i Paris-Saclay.
Når en væskestråle faller fra en ikke-sirkulær dyse, kan den danne en bølge av brede, flate og jevnt fordelte seksjoner av væske som vekselvis er orientert i 90° i forhold til hverandre. Disse seksjonene er adskilt av tynnere lenker av væske - noe som gjør at strukturen ligner en kjede (se figur).
I hjertet av effekten er den ikke-sylindriske profilen til strålen når den kommer frem. For å minimere overflatespenningen prøver strålen å bli en sylinder, men denne bevegelsen overskrider og resulterer i en oscillasjon i profilformen.
Imidlertid er det en langvarig uenighet mellom to teorier som beskriver hvordan disse svingningene oppstår. En teori ble fremmet av Lord Rayleigh i 1879, og den ble deretter modifisert av Niels Bohr i 1909. Rayleighs teori beskriver oscillasjonen som en lineær effekt, mens Bohrs teori introduserer ikke-lineære effekter som reduserer frekvensen av svingningene når amplituden deres øker.
Bohr vinner
Inntil nå har ingen eksperimenter bestemt hvilken av disse teoriene som gir en mer nøyaktig beskrivelse. For å løse dette problemet designet Deblais' team en serie med 12 elliptiske dyser med varierende størrelser og eksentrisiteter. Deretter målte de både frekvensene og amplitudene til kjedestrukturene som ble dannet når de helte vann gjennom dysene med varierende strømningshastigheter. Mens mønstrene de observerte var litt uenige med Rayleighs spådommer, stemte de sterkere med Bohrs teori.
Skjulte mønstre funnet på overflaten av vann
Basert på resultatene deres, konstruerte Deblais og kolleger numeriske simuleringer av væskekjedesvingninger – igjen, og fant en sterk samsvar med Bohrs spådommer. Resultatene deres bidrar også til å forklare hvorfor overflaten til hver stråle ble groper under eksperimentene deres – et annet interessant trekk ved daglige vannstråler. Teamet håper nå å utvide eksperimentene og simuleringene til å vurdere andre væsker enn vann, samt dyser med mer komplekse former.
Nå som en grunnleggende teori er etablert, kan fremtidige eksperimenter tilby nyttig innsikt i en rekke bruksområder der væsker avfyres fra elliptiske dyser, inkludert blekkstråleutskrift og metallurgi. Ytterligere forskning kan også føre til nye teknikker for å forbedre forbrenningseffektiviteten, undertrykke støy eller forbedre kontrollen over thrustere. Andre steder kan funnene hjelpe forskere til å bedre forstå fremveksten og mulig behandling av visse medisinske problemer, inkludert urologiske sykdommer.
Forskningen er beskrevet i Fysisk gjennomgang Fluids.
