Krogle turbulence so izolirane z vrtinčnimi obroči – Svet fizike

Raziskovalci v ZDA so izolirali kroglo turbulence v rezervoarju z vodo in jo vzdrževali tako, da so iz vogalov rezervoarja izstrelili vrtinčne obroče. William Irvine in kolegi na Univerzi v Chicagu pravijo, da bi njihova nova tehnika lahko vodila do preobrazbe v načinu eksperimentalnega proučevanja turbulence.

Od vrtincev v toku do vrtinčenja plina v medzvezdnem prostoru, turbulenca podpira vedenje številnih različnih sistemov v naravi. Njegove glavne značilnosti je enostavno opaziti in vključujejo nepravilna in neenakomerna nihanja hitrosti in tlaka. Toda kljub njihovi vseprisotnosti se raziskovalci trudijo natančno opisati, kako se turbulentne tekočine obnašajo.

"Turbulenca se pojavlja povsod okoli nas, vendar se kar naprej izmika temu, kar fiziki menijo za zadovoljiv opis." Irvine pojasnjuje. »Na primer, če vprašate, ali lahko predvidim, kaj se bo zgodilo, ko udarim v to območje turbulence? Odgovor je ne. S superračunalnikom sploh ne.«

Nadzorovane motnje

Medtem ko je turbulenco mogoče ustvariti in preučiti v laboratoriju, je zelo težko preprečiti, da bi turbulentna tekočina vplivala na stene njene posode ali mešalne naprave, ki se uporablja za ustvarjanje turbulence. Doslej je ta neuspeh fizikom preprečil razumevanje, kako se turbulentne tekočine razvijajo skozi čas, če jih ne motimo, ali kako se odzivajo na nadzorovane motnje.

Za reševanje tega izziva je Irvineova ekipa poskušala ustvariti popolnoma izolirano območje turbulence z uporabo vrtinčnih obročev. To so krožni vrtinci tekočine, ki ustvarjajo turbulenco, ko trčijo drug ob drugega.

Sprva so Irvine in njegovi sodelavci to storili tako, da so na obeh koncih rezervoarja za vodo postavili obročaste curke, ki ustvarjajo vrtince. Voda je bila posejana z mehurčki za vizualizacijo gibanja obročev. Čeprav so na začetku opazili turbulenco, so se tokovi sčasoma ponovno združili in ustvarili nove sklope obročev, ki so se odklonili od prvotne točke trka.

Osem vrtinčnih obročev

V svoji najnovejši študiji je Irvineova ekipa namesto tega postavila obročast curek na vsak vogal rezervoarja – z veliko bolj zanimivimi rezultati. Ko je osem vrtinčnih obročev trčilo, je v središču rezervoarja ustvarilo približno sferično kroglo turbulence. Ne samo, da je bila žoga popolnoma izolirana od sten rezervoarja; lahko bi ga vzdrževali preprosto z občasnim sprožanjem več vrtinčnih obročev v rezervoar.

"Nihče ni vedel, da je to sploh mogoče," pravi član ekipe Takumi Matsuzawa. »Turbulenca je zelo dobra pri mešanju stvari; če zmešate mleko v kavo, lahko dobite samo en ali dva vrtinca, preden se popolnoma zmeša. Dejstvo, da ga lahko zadržimo na mestu, je zelo presenetljivo.«

Kot bi mirno sedel na polju s piknikom in opazoval nevihto, ki divja 50 metrov stran

William Irvine

S to nastavitvijo je ekipa lahko združila vrtinčne obroče, kot so kocke LEGO – nadzor nad parametri, vključno z energijo in spiralnostjo obročev – slednja opisuje, ali se vrtinci vrtijo v smeri urinega kazalca ali v nasprotni smeri.

Je turbulentni tok kljub vsemu univerzalen?

Po drugi strani pa so lahko natančno prilagodili parametre turbulence v krogli, nato pa opazovali, kako se je razvijala, ko so jo vzdrževali z več vrtinčnimi obroči – ali kako se je razblinila, ko so prenehali dodajati nove obroče. »Kot bi mirno sedel na polju s piknikom in opazoval nevihto, ki divja 50 metrov stran,« opisuje Irvine.

Raziskovalci zdaj upajo, da bi njihovo delo lahko vodilo do preboja v razvoju novih tehnik za preučevanje turbulence. Z oblikovanjem turbulentnih tokov z vrtinčnimi obroči nakazujejo, da bi lahko turbulenco obravnavali kot stanje snovi z lastnostmi, ki jih je mogoče skrbno nadzorovati in manipulirati.

Po drugi strani pa bi to lahko utrlo pot za raznoliko paleto novih poskusov, ki raziskujejo številne različne primere turbulentnih tokov v naravi. "Resnično upam, da bo to pomagalo odpreti novo igrišče na terenu," pravi Irvine.

Raziskava je opisana v Naravna fizika.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Avtomobili/EV, Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• BlockOffsets. Posodobitev okoljskega offset lastništva. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/balls-of-turbulence-are-isolated-using-vortex-rings/