Om du häller vatten ur en flaska kommer vätskeströmmen ofta att anta en kedjeliknande struktur. Fysiken bakom detta märkliga fenomen har diskuterats hett i mer än ett sekel, men nu kan detta mysterium ha lösts genom experiment gjorda av Antoine Deblais, Daniel Bonn och Daniel Jordan vid universitetet i Amsterdam och Neil Ribe vid universitetet i Paris-Saclay.
När en vätskestråle faller från ett icke-cirkulärt munstycke kan det bilda en våg av breda, tillplattade och jämnt fördelade vätskesektioner som växelvis är orienterade i 90° mot varandra. Dessa sektioner är åtskilda av tunnare länkar av vätska - vilket gör att strukturen liknar en kedja (se figur).
Kärnan i effekten är strålens icke-cylindriska profil när den kommer fram. För att minimera ytspänningen försöker strålen bli en cylinder, men denna rörelse överskrider och resulterar i en svängning i profilformen.
Det finns dock en långvarig oenighet mellan två teorier som beskriver hur dessa svängningar uppstår. En teori lades fram av Lord Rayleigh 1879, och den modifierades sedan av Niels Bohr 1909. Rayleighs teori beskriver oscillationen som en linjär effekt, medan Bohrs teori introducerar olinjära effekter som minskar frekvensen av svängningarna när deras amplitud ökar.
Bohr vinner
Hittills har inga experiment bestämt vilken av dessa teorier som ger en mer exakt beskrivning. För att lösa det här problemet designade Deblais team en serie med 12 elliptiska munstycken med varierande storlekar och excentriciteter. Sedan mätte de både frekvenserna och amplituderna för kedjestrukturerna som bildades när de hällde vatten genom munstyckena med varierande flödeshastigheter. Även om mönstren de observerade inte överensstämde något med Rayleighs förutsägelser, överensstämde de starkare med Bohrs teori.
Dolda mönster som finns på vattenytan
Baserat på deras resultat, konstruerade Deblais och kollegor numeriska simuleringar av vätskekedjeoscillationer – återigen och hittade en stark överensstämmelse med Bohrs förutsägelser. Deras resultat hjälper också till att förklara varför ytan på varje stråle blev gropar under deras experiment – en annan intressant egenskap hos vardagliga vattenstrålar. Teamet hoppas nu kunna utöka experimenten och simuleringarna till att överväga andra vätskor än vatten, såväl som munstycken med mer komplexa former.
Nu när en grundläggande teori har etablerats kan framtida experiment erbjuda användbara insikter i en mängd olika tillämpningar där vätskor avfyras från elliptiska munstycken, inklusive bläckstråleutskrift och metallurgi. Ytterligare forskning kan också leda till nya tekniker för att förbättra förbränningseffektiviteten, dämpa buller eller förbättra kontrollen över thrusters. På andra håll kan resultaten hjälpa forskare att bättre förstå uppkomsten och möjlig behandling av vissa medicinska problem, inklusive urologiska sjukdomar.
Forskningen beskrivs i Fysiska granskningsvätskor.
