Sammenflettede hvirvler blev endelig målt i laboratoriet

University of Chicago fysikere, der arbejder i det begyndende felt af eksperimentel hvirveldynamik, har, med uventet hjælp fra en Sharpie-markør, opnåede de første målinger af en uhåndgribelig, men fundamental egenskab ved væskeflow.

Indtil nu, der havde ikke været nogen måde i laboratoriet at måle den samlede helicitet, eller mål for hvornår to hvirvelringe fletter sig sammen. I deres eksperimenter, UChicago-teamet skabte tyndkernehvirvler - den slags, der findes i flyvåger og insektflyvninger - ved at producere hydrofoils ved hjælp af en 3-D-printer.

Som heldet ville have det, den røde Sharpie-markør, der blev brugt til at mærke hydrofoilerne, indeholdt rhodaminfarve, som fluorescerede, når de blev belyst af laserlys. Når hydrofoilerne blev placeret i en vandtank, farvestoffet begyndte at diffundere, og når hydrofoilen blev accelereret, farvestoffet blev suget ind i kernen af ​​den nyoprettede hvirvel - en proces optaget via højhastigheds laserscanningstomografi.

De nye resultater, udgivet 3. august i Videnskab , er de første til at vise, at heliciteten opretholder en konstant værdi under strømmen af ​​viskøse væsker. Vortex-dynamik har vigtige anvendelser i hverdagen; meteorologer, for eksempel, se helicitet som en faktor, der bidrager til dannelsen af ​​supercelletornadoer.

"Det faktum, at vi for første gang har nogle målinger, der viser helicitet, kan bevares, især ved udstrækning, kan oversætte direkte til disse bestræbelser, " sagde William Irvine, en lektor i fysik, som offentliggjorde resultaterne sammen med fire medforfattere.

Drejninger og drejninger

I deres seneste forskning, fysikerne studerede tre beslægtede former for helicitet:vridning, forbinder og vrider sig. De tre former er simpelthen forskellige måder at beskrive geometrisk relaterede former, der er blevet snoet eller strakt. Hvert hvirvelrør kan visualiseres som et bundt af filamenter, ligner dem, der er bundet sammen i et snoet reb.

"Hvis du tager et stykke reb eller en telefonledning og vikler det op, så vil vi sige, at midten af ​​dette reb eller telefonledning vrider sig, " sagde Irvine. "Og hvis vi så tog denne ting, som vi rullede sammen, og vi trak den lige, du ville se sno sig langs dens længde."

Det har været vanskeligt at simulere helicitet i disse strømme på grund af de vidt adskilte, men dog indbyrdes forbundne skalaer, som de opererer i. Tidligere arbejde havde stort set været teoretisk og involveret hypotetisk, enklere væsker, der totalt mangler viskositet. Beregninger viste, at heliciteten var bevaret i disse hypotetiske væsker, men viskositet opstod som en væsentlig faktor i strømmen af ​​faktiske væsker.

"Et af kerneproblemerne er, at du skal prøve eller måle træk ved flowet, der findes på meget forskellige længdeskalaer, sagde Martin Scheeler, undersøgelsens hovedforfatter, som for nylig afsluttede sin doktorgrad i fysik ved UChicago. Skællene spænder fra diameteren af ​​en hvirvel (ca. 30 centimeter eller en fod) til diameteren af ​​dens tynde kerne (ca. en millimeter eller tre hundrededele af en tomme).

"Du skal måle flowet inde i kernen såvel som den overordnede formudvikling af den hvirvel, " sagde Irvine. "Det er noget af en adskillelse." Han karakteriserede Scheelers arbejde med at overvinde de eksperimentelle udfordringer - samtidig med at spore de fine detaljer i flowet, mens han stadig målte den kritiske dynamik i større skala - som "en tour de force."

'Det er de mere skøre ting, der virker'

Irvines gruppe havde tidligere brugt bobler til at udføre banebrydende forskning i hvirvlernes dynamik i deres eksperimenter med vandtanke. Helicitetsmålingerne, imidlertid, krævede noget andet, som blev leveret serendipitously gennem Sharpie.

Farvestof har længe været brugt i hvirveleksperimenter, men mindre præcist. I tidligere forsøg, farvestoffet blev anbragt diffust i tanken, og så ville hvirvlerne omslutte dem. Men Sharpie gav en mulighed for præcist at placere farvestoffet i midten af ​​hvirvlerne, som Scheeler møjsommeligt malede prikker på hele længden af ​​hydrofoilerne.

"Vi havde ikke rigtig indset, at det var en mulighed, før vi så farvestof bløde fra hydrofoilen, " sagde Scheeler, som værdsatte den kreativitet og frihed, der var involveret i at designe eksperimenter til et spirende fysikfelt.

"Der er virkelig ingen spillebog, og det er virkelig spændende, " sagde han. "Du kommer til at prøve alle mulige forskellige ting, og nogle gange er det de mere skøre ting, der virker."