Pop-up-effekten:Hvorfor flydende kugler ikke altid springer ud af vandet

Det er et almindeligt svømmepølsspil:Tving en flydende bold under vandet og lad det gå. Bolden springer op til overfladen og hopper op i luften. Men, nedsænke bolden dybere under vandet, og effekten er ofte skuffende. I modsætning til vores intuition, øget frigivelsesdybde fører ofte til en reduceret pop-up-højde.

Dette enkle væskedynamikspørgsmål har undret fysikere i årtier, men en ny undersøgelse offentliggjort 1. november i Fysisk gennemgangsvæske , giver nyt perspektiv på fænomenet og kan tydeliggøre emner relateret til vandudgangsdynamik og havteknik.

Et team af forskere fra Utah State University, Dartmouth College og Brigham Young University brugte højhastighedsbilleddannelse og partikelbilledhastighed til at beskrive, hvorfor flydende sfærer, der stiger op gennem en væske, ikke altid opfører sig, som vi forventer, at de skal.

"Pop-up-højden afhænger af kuglens hastighed på det tidspunkt, hvor den bryder den frie overflade, "sagde lederundersøger og assisterende professor i maskinteknik ved USU, Tadd Truscott. "Det er ligegyldigt, hvor dyb bolden er, når den slippes. Der er en række faktorer, der påvirker dens hastighed og bane, indtil den når overfladen."

Under opstigning, vække- og hvirvelstrukturer dannes ofte omkring kuglen. Asymmetrisk hvirvelstrømning og vækkeformationer kan ændre en kugles opadgående bevægelse og resultere i en ikke-lineær bane. Forfatterne demonstrerer, at stigende sfærer normalt falder ind under en af ​​to accelerationskategorier:1) et lodret regime, eller 2) et oscillerende regime.

"Det lodrette regime viser en næsten lodret undervandsbane og resulterer i de største pop-up-højder, "forklarer Brenden Epps, adjunkt i teknik i Dartmouth og medforfatter på undersøgelsen. "Det oscillerende regime udviser en bane med periodiske laterale bevægelser og resulterer i lavere pop-up-højder. Nogle gange kan bolden endda bryde overfladen og skumme hen over den frem for at stige op i luften."

For at teste stigende sfære adfærd, forskere nedsænkede kugler i rustfrit stål i en testtank i forskellige dybder og holdt dem på plads ved hjælp af en sugekop, der var forbundet til en vakuumfrigivelsesmekanisme. Efter tilstrækkelig ventetid til at lade vandet blive stille, sugekoppen frigjorde kuglen, mens fire synkroniserede højhastighedskameraer registrerede dens stigning.

I alt, 664 tests blev udført ved hjælp af fire kugler med forskellige diametre og frigivelsesdybder. Som forventet, de maksimale pop-up-højder opstod, når kugler blev frigivet fra lavvandede dybder. De laveste pop-up-højder opstod, da kugler blev frigivet fra større dybder.

Men samtalen slutter ikke der. En del af pop-up-højdeproblemet afhænger også af, hvad der sker med kuglen på tidspunktet for overfladebrud.

"Når kuglen rydder overfladen, den eneste kraft, der virker på det, er tyngdekraften, "Truscott tilføjet." Så pop-up-højden bestemmes af en overførsel af kinetisk energi til potentiel energi i kuglen efter rydning af overfladen. Imidlertid, kuglens hastighed (og dermed kinetisk energi), efter at den har ryddet overfladen, dikteres både af den hastighed, hvormed den nærmer sig overfladen (indstillet af undervandsdynamikken) og ændringen i hastighed under brud. "

Forfatterne siger, at deres undersøgelse har en bred vifte af applikationer. En bedre forståelse af vandudgangsdynamikken, de forklarer, kan være nyttig inden for maritim teknik og havbiologi.

"Pingviner forlader vandet efter en jagt eller for at undgå rovdyr, "de skriver." Det er blevet antaget, at kejserpingviner bruger bobler frigivet fra deres fjer under opstigning for at reducere træk og øge udgangshastighed og pop-up-højde. ... Andre vigtige anvendelser af pop-up-effekten omfatter udkørsel af undervandsbiler, flydende havstrukturer og bølgeenergiomformere. "