Jeśli wylejesz wodę z butelki, strumień cieczy często przyjmie strukturę łańcuchową. Fizyka stojąca za tym osobliwym zjawiskiem była przedmiotem gorących dyskusji od ponad stulecia, ale teraz tajemnica ta mogła zostać rozwiązana dzięki eksperymentom przeprowadzonym przez Antoine'a Deblaisa, Daniel Bonn i Daniel Jordan z Uniwersytetu w Amsterdamie oraz Neil Ribe z Uniwersytetu Paris-Saclay.
Kiedy strumień cieczy spada z nieokrągłej dyszy, może utworzyć falę szerokich, spłaszczonych i równomiernie rozmieszczonych odcinków cieczy, które są naprzemiennie ustawione pod kątem 90° względem siebie. Sekcje te oddzielone są cieńszymi ogniwami cieczy – dzięki czemu konstrukcja przypomina łańcuch (patrz rysunek).
Sercem efektu jest niecylindryczny profil wyłaniającego się strumienia. Aby zminimalizować napięcie powierzchniowe, strumień próbuje przekształcić się w cylinder, ale ten ruch przekracza prędkość i powoduje oscylację kształtu profilu.
Jednakże od dawna istnieje rozbieżność między dwiema teoriami opisującymi sposób powstawania tych oscylacji. Jedna z teorii została wysunięta przez Lorda Rayleigha w 1879 r., a następnie zmodyfikowana przez Nielsa Bohra w 1909 r. Teoria Rayleigha opisuje oscylacje jako efekt liniowy, podczas gdy teoria Bohra wprowadza efekty nieliniowe, które zmniejszają częstotliwość oscylacji wraz ze wzrostem ich amplitudy.
Bohr wygrywa
Do tej pory żadne eksperymenty nie wykazały, która z tych teorii daje dokładniejszy opis. Aby rozwiązać ten problem, zespół Deblais zaprojektował serię 12 dysz eliptycznych o różnych rozmiarach i mimośrodach. Następnie zmierzyli zarówno częstotliwości, jak i amplitudy struktur łańcuchowych, które utworzyły się podczas wlewania wody przez dysze przy różnym natężeniu przepływu. Choć zaobserwowane przez nich wzorce nieznacznie różniły się od przewidywań Rayleigha, w większym stopniu pokrywały się z teorią Bohra.
Ukryte wzory znalezione na powierzchni wody
Na podstawie swoich wyników Deblais i współpracownicy skonstruowali symulacje numeryczne oscylacji łańcucha cieczy – co ponownie potwierdziło przewidywania Bohra. Wyniki pomagają również wyjaśnić, dlaczego podczas eksperymentów na powierzchni każdego strumienia pojawiły się wgłębienia – to kolejna interesująca cecha spotykana na co dzień w strumieniach wody. Zespół ma teraz nadzieję rozszerzyć eksperymenty i symulacje, aby uwzględnić ciecze inne niż woda, a także dysze o bardziej złożonych kształtach.
Po ustaleniu podstawowej teorii przyszłe eksperymenty mogą dostarczyć przydatnych informacji w różnorodnych zastosowaniach, w których ciecze są wystrzeliwane z dysz eliptycznych, w tym w druku atramentowym i metalurgii. Dalsze badania mogą również doprowadzić do opracowania nowych technik zwiększania wydajności spalania, tłumienia hałasu lub poprawy kontroli nad silnikami strumieniowymi. W innych przypadkach odkrycia mogą pomóc naukowcom w lepszym zrozumieniu powstawania i możliwości leczenia niektórych problemów medycznych, w tym chorób urologicznych.
Badania opisano w Płyny z przeglądu fizycznego.
