ลูกบอลแห่งความปั่นป่วนถูกแยกออกโดยใช้วงแหวนน้ำวน - โลกฟิสิกส์

ลูกบอลแห่งความปั่นป่วนถูกแยกออกโดยใช้วงแหวนน้ำวน - โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 26 กรกฎาคม 2023 9:05 น

บอลป่วน
ลูกบอลปั่นป่วน: William Irvine, Takumi Matsuzawa และเพื่อนร่วมงานใช้เครื่องมือนี้เพื่อติดตามความปั่นป่วนด้วยเลเซอร์และกล้องความเร็วสูง (เอื้อเฟื้อ: ทาคุมิ มัตสึซาวะ)

นักวิจัยในสหรัฐฯ แยกลูกบอลแห่งความปั่นป่วนออกจากถังน้ำและรักษามันไว้ได้โดยการยิงวงแหวนน้ำวนออกจากมุมถัง วิลเลียม เออร์ไวน์ และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยชิคาโกกล่าวว่าเทคนิคใหม่ของพวกเขาอาจนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงวิธีการศึกษาความปั่นป่วนในการทดลอง

จากกระแสน้ำวนไปจนถึงการหมุนวนของก๊าซในอวกาศระหว่างดวงดาว ความปั่นป่วนเป็นรากฐานของพฤติกรรมของระบบต่าง ๆ ในธรรมชาติ ลักษณะเด่นของมันนั้นมองเห็นได้ง่ายและรวมถึงการขึ้นลงของความเร็วและแรงดันที่ผิดปกติและไม่แน่นอน แม้ว่าจะมีอยู่ทั่วไปทุกหนทุกแห่ง แต่นักวิจัยก็ยังพยายามอธิบายให้แน่ชัดว่าของเหลวที่ปั่นป่วนมีพฤติกรรมอย่างไร

“ความปั่นป่วนปรากฏขึ้นทุกหนทุกแห่งรอบตัวเรา แต่มันก็ยังคงหลีกเลี่ยงสิ่งที่นักฟิสิกส์คิดว่าเป็นคำอธิบายที่น่าพอใจ” เออร์ไวน์อธิบาย “เช่น ถ้าคุณถาม ฉันจะทำนายได้ไหมว่าจะเกิดอะไรขึ้นต่อไปเมื่อฉันเจาะพื้นที่แห่งความปั่นป่วนนี้ คำตอบคือไม่ ไม่แม้แต่กับซูเปอร์คอมพิวเตอร์ด้วยซ้ำ”

รบกวนควบคุม

แม้ว่าสามารถสร้างและศึกษาความปั่นป่วนได้ในห้องทดลอง แต่ก็เป็นเรื่องยากมากที่จะป้องกันไม่ให้ของไหลที่ปั่นป่วนทำปฏิกิริยากับผนังของภาชนะหรืออุปกรณ์กวนที่ใช้ในการสร้างความปั่นป่วน จนถึงตอนนี้ ความปราชัยนี้ทำให้นักฟิสิกส์ไม่สามารถเข้าใจได้ว่าของเหลวที่ปั่นป่วนมีวิวัฒนาการอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไปหากไม่ถูกรบกวน หรือวิธีที่พวกมันตอบสนองต่อสิ่งรบกวนที่ควบคุมได้

เพื่อรับมือกับความท้าทายนี้ ทีมงานของเออร์ไวน์พยายามสร้างบริเวณที่เกิดความปั่นป่วนแยกโดยสิ้นเชิงโดยใช้วงแหวนกระแสน้ำวน สิ่งเหล่านี้เป็นของเหลวที่หมุนวนเป็นวงกลมซึ่งสร้างความปั่นป่วนเมื่อพวกมันชนกัน

ในตอนแรก เออร์ไวน์และเพื่อนร่วมงานทำเช่นนี้โดยการวางวงแหวนไอพ่นที่สร้างกระแสน้ำวนไว้ที่ปลายทั้งสองด้านของถังเก็บน้ำ น้ำถูกเพาะด้วยฟองเพื่อให้เห็นภาพการเคลื่อนไหวของวงแหวน แม้ว่าความปั่นป่วนจะเกิดขึ้นในช่วงแรก แต่ในที่สุดกระแสน้ำก็กลับมารวมตัวกันอีกครั้งเพื่อสร้างวงแหวนชุดใหม่ ซึ่งเบี่ยงเบนไปจากจุดเดิมของการชนกัน

วงแหวนน้ำวนแปดวง

ในการศึกษาล่าสุด ทีมงานของเออร์ไวน์ได้วางวงแหวนเจ็ตไว้ที่แต่ละมุมของถังแทน ซึ่งให้ผลลัพธ์ที่น่าสนใจกว่ามาก เมื่อวงแหวนน้ำวนทั้งแปดปะทะกัน พวกมันก็สร้างลูกบอลปั่นป่วนทรงกลมขนาดคร่าวๆ ขึ้นตรงกลางถัง ไม่เพียงแต่ลูกบอลจะถูกแยกออกจากผนังรถถังโดยสิ้นเชิงเท่านั้น มันสามารถดำรงอยู่ได้โดยการยิงวงแหวนน้ำวนเข้าไปในถังเป็นระยะๆ

“ไม่มีใครรู้ว่าสิ่งนี้เป็นไปได้ด้วยซ้ำ” สมาชิกในทีมกล่าว ทาคูมิ มัตสึซาวะ. “ความปั่นป่วนเป็นสิ่งที่ดีมากในการผสมสิ่งต่างๆ ถ้าคุณผสมนมลงในกาแฟ คุณจะใส่ได้เพียงหนึ่งหรือสองครั้งก่อนที่มันจะผสมจนหมด ความจริงที่ว่าเราสามารถบรรจุมันไว้ได้นั้นน่าประหลาดใจมาก”

มันเหมือนกับการนั่งปิกนิกในทุ่งอย่างสงบและดูพายุที่โหมกระหน่ำห่างออกไป 50 ฟุต

วิลเลียม เออร์ไวน์

ด้วยการตั้งค่านี้ ทีมงานสามารถรวมวงแหวนน้ำวนอย่างเช่นบล็อก LEGO เข้าด้วยกัน ซึ่งควบคุมพารามิเตอร์ต่างๆ รวมถึงพลังงานและความเฮลิซิตี้ของวงแหวน โดยส่วนหลังจะอธิบายว่ากระแสน้ำวนหมุนตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิกา

ในทางกลับกัน พวกเขาสามารถปรับพารามิเตอร์ของความปั่นป่วนภายในลูกบอลได้อย่างละเอียด จากนั้นสังเกตว่ามันพัฒนาไปอย่างไรเมื่อพวกเขาค้ำจุนมันด้วยวงแหวนกระแสน้ำวนมากขึ้น หรือว่ามันกระจายไปอย่างไรเมื่อพวกเขาหยุดเพิ่มวงแหวนใหม่ “มันเหมือนกับการนั่งปิกนิกอย่างสงบในทุ่งนาและมองดูพายุที่โหมกระหน่ำห่างออกไป 50 ฟุต” เออร์ไวน์อธิบาย

ตอนนี้นักวิจัยหวังว่างานของพวกเขาจะนำไปสู่ความก้าวหน้าในการพัฒนาเทคนิคใหม่สำหรับการศึกษาความปั่นป่วน โดยการแกะสลักกระแสน้ำวนโดยใช้วงแหวนน้ำวน พวกเขาเสนอว่าความปั่นป่วนสามารถถือเป็นสถานะของสสารที่มีคุณสมบัติที่สามารถควบคุมและจัดการอย่างระมัดระวัง

ในทางกลับกัน สิ่งนี้อาจปูทางไปสู่การทดลองใหม่ๆ ที่หลากหลาย สำรวจตัวอย่างต่างๆ มากมายของกระแสน้ำที่เชี่ยวกรากในธรรมชาติ “ฉันหวังเป็นอย่างยิ่งว่าสิ่งนี้จะช่วยเปิดสนามเด็กเล่นแห่งใหม่ในสนามได้” เออร์ไวน์กล่าว

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน ฟิสิกส์ธรรมชาติ.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์