Turbulenskuler isoleres ved hjelp av virvelringer – Physics World

Turbulenskuler isoleres ved hjelp av virvelringer – Physics World

Tidsstempel: 26. juli 2023 9:05

Ball av turbulens
Turbulent ball: William Irvine, Takumi Matsuzawa og kolleger har brukt dette apparatet til å spore turbulens med lasere og høyhastighetskameraer. (Med tillatelse: Takumi Matsuzawa)

Forskere i USA har isolert en turbulenskule inne i en tank med vann og holdt den oppe ved å skyte virvelringer fra hjørnene på tanken. William Irvine og kolleger ved University of Chicago sier at deres nye teknikk kan føre til en transformasjon i måten turbulens studeres eksperimentelt på.

Fra virvler i en bekk til virvling av gass i interstellart rom, turbulens underbygger oppførselen til mange forskjellige systemer i naturen. Hovedkarakteristikkene er enkle å oppdage og inkluderer uregelmessige og uberegnelige svingninger i hastighet og trykk. Til tross for at de er allestedsnærværende, sliter forskere med å beskrive nøyaktig hvordan turbulente væsker oppfører seg.

"Turbulens dukker opp overalt rundt oss, men det fortsetter å unngå det fysikere anser som en tilfredsstillende beskrivelse." forklarer Irvine. "For eksempel, hvis du spør, kan jeg forutsi hva som skjer videre når jeg stikker i denne regionen med turbulens? Svaret er nei. Ikke engang egentlig med en superdatamaskin.»

Kontrollerte forstyrrelser

Selv om turbulens kan skapes og studeres i laboratoriet, er det svært vanskelig å hindre en turbulent væske i å samhandle med veggene i beholderen, eller røreapparatet som brukes til å generere turbulens. Så langt har dette tilbakeslaget hindret fysikere i å forstå hvordan turbulente væsker utvikler seg over tid hvis de blir stående uforstyrret, eller hvordan de reagerer på kontrollerte forstyrrelser.

For å takle denne utfordringen forsøkte teamet til Irvine å skape et fullstendig isolert område med turbulens ved å bruke virvelringer. Dette er sirkulære virvler av væske som genererer turbulens når de kolliderer med hverandre.

Først gjorde Irvine og kollegene dette ved å plassere virvelgenererende ringstråler i hver ende av en vanntank. Vannet ble sådd med bobler for å visualisere bevegelsene til ringene. Selv om turbulens ble observert i utgangspunktet, rekombinerte strømmene seg til slutt for å lage nye sett med ringer, som bøyde seg bort fra det opprinnelige kollisjonspunktet.

Åtte virvelringer

I sin siste studie plasserte teamet til Irvine i stedet en ringjet i hvert hjørne av tanken – med langt mer interessante resultater. Da de åtte virvelringene kolliderte, skapte de en omtrent sfærisk kule av turbulens i midten av tanken. Ikke bare var ballen fullstendig isolert fra tankens vegger; det kunne opprettholdes ganske enkelt ved å skyte flere virvelringer inn i tanken med jevne mellomrom.

"Ingen visste at dette var mulig," sier teammedlem Takumi Matsuzawa. «Turbulens er veldig bra til å blande ting; hvis du blander melken i kaffen, kan du bare få inn en eller to virvler før den blir helt blandet. Det faktum at vi kan holde det på plass er veldig overraskende."

Det er som å sitte rolig på et jorde med en piknik og se på en storm som raser 50 fot unna

William Irvine

Med dette oppsettet kunne teamet kombinere virvelringer som LEGO-blokker – kontrollerende parametere inkludert ringenes energi og helisitet – sistnevnte beskriver om virvlene roterte med eller mot klokken.

På sin side kunne de finjustere parametrene for turbulensen inne i ballen, og deretter observere hvordan den utviklet seg etter hvert som de holdt den oppe med flere virvelringer – eller hvordan den forsvant da de sluttet å legge til nye ringer. "Det er som å sitte rolig på et jorde med en piknik og se på en storm som raser 50 fot unna," beskriver Irvine.

Forskerne håper nå arbeidet deres kan føre til et gjennombrudd i utviklingen av nye teknikker for å studere turbulens. Ved å skulpturere turbulente strømmer ved hjelp av virvelringer, antyder de at turbulens kan behandles som en tilstand av materie med funksjoner som kan kontrolleres og manipuleres nøye.

I sin tur kan dette bane vei for et mangfoldig utvalg av nye eksperimenter, som utforsker mange forskjellige eksempler på turbulente strømmer i naturen. "Jeg håper virkelig dette kan bidra til å åpne opp en ny lekeplass i feltet," sier Irvine.

Forskningen er beskrevet i Naturfysikk.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden