Якщо ви вилиєте воду з пляшки, потік рідини часто набуде ланцюгоподібної структури. Фізика, що стоїть за цим цікавим явищем, гаряче обговорювалася більше століття, але тепер ця таємниця, можливо, була розкрита експериментами, проведеними Антуан Дебле, Даніель Бонн і Деніел Джордан з Амстердамського університету та Ніл Рібе з Університету Париж-Сакле.
Коли струмінь рідини падає з некруглого сопла, він може утворювати хвилю широких, сплощених і рівномірно розташованих ділянок рідини, які по черзі орієнтовані під кутом 90° одна до одної. Ці ділянки розділені тоншими ланками рідини, завдяки чому структура нагадує ланцюг (див. малюнок).
В основі ефекту лежить нециліндричний профіль струменя під час його виходу. Щоб мінімізувати поверхневий натяг, струмінь намагається стати циліндром, але цей рух виходить за межі й призводить до коливань у формі профілю.
Однак між двома теоріями, які описують, як відбуваються ці коливання, існує давня розбіжність. Одна теорія була висунута лордом Релеєм у 1879 році, а потім була модифікована Нільсом Бором у 1909 році. Теорія Релея описує коливання як лінійний ефект, тоді як теорія Бора вводить нелінійні ефекти, які зменшують частоту коливань із збільшенням їх амплітуди.
Перемагає Бор
Дотепер жодні експерименти не визначили, яка з цих теорій пропонує більш точний опис. Щоб вирішити цю проблему, команда Дебле розробила серію з 12 еліптичних сопел різного розміру та ексцентриситету. Потім вони виміряли як частоти, так і амплітуди ланцюгових структур, які утворилися, коли вони проливали воду через форсунки з різною швидкістю потоку. Хоча закономірності, які вони спостерігали, трохи не узгоджувалися з прогнозами Релея, вони більше узгоджувалися з теорією Бора.
Приховані візерунки, знайдені на поверхні води
Грунтуючись на своїх результатах, Дебле та його колеги побудували чисельне моделювання коливань рідкого ланцюга – знову ж таки, знайшовши значну згоду з передбаченнями Бора. Їхні результати також допомагають пояснити, чому під час експериментів поверхня кожного струменя стала ямочкою – ще одна цікава особливість повсякденних струменів води. Тепер команда сподівається розширити експерименти та моделювання, щоб розглянути інші рідини, крім води, а також сопла складнішої форми.
Тепер, коли базова теорія була створена, майбутні експерименти можуть запропонувати корисну інформацію в різноманітних сферах застосування, де рідини випускаються з еліптичних сопел, включаючи струменевий друк і металургію. Подальші дослідження також можуть призвести до нових методів для підвищення ефективності згоряння, придушення шуму або покращення контролю над двигунами. В іншому місці результати можуть допомогти дослідникам краще зрозуміти виникнення та можливе лікування певних медичних проблем, включаючи урологічні захворювання.
Дослідження описано в Фізичні оглядові рідини.
