Matryoshka -effekten:Forskere beskriver undervandsfænomen

Forskere ved Utah State University sender kaskader af vand ind i en tank for at afdække et mysterium om væskedynamik.

Efter en årelang forskningsundersøgelse, teamet af ingeniører og flydende dynamikere afslørede fysikken bag et unikt undervandsfænomen, der er blevet sammenlignet med Matryoshka -dukken - den traditionelle russiske dukke i en dukke.

I en undersøgelse, der blev offentliggjort i sidste uge i Journal of Fluid Mechanics , forskere fra USU's Splash Lab beskriver, hvad der sker, når vanddråber med hurtig succession påvirker en rolig overflade og skaber et luftrum under vandet.

"Når en strøm af dråber rammer overfladen, det trækker luft under og skaber et luftfyldt hulrum, "siger hovedforfatter og ph.d. -kandidat Nathan Speirs." Hulrummets former varierer baseret på påvirkningsparametrene, f.eks. dråbens diameter og hastigheden ved påvirkning. "

Når en kontinuerlig vandstrøm - en stråle - påvirker vandoverfladen, den danner en cylindrisk form, dyb, smalt hulrum. Når dråber med langsom succession påvirker vandet, de danner individuelle hulrum, der lukker og falder sammen, inden den næste dråbe rammer. Splash Lab-teamet ville vide, hvad der sker, når hurtige successionsdråber påvirker vandet. Resultatet er en unik række hulrum i hulrum, der skaber et ribbet udseende.

"Hvis hyppigheden af ​​de faldende dråber er høj nok, dråberne rammer det samme sted og skaber indlejrede hulrum, "sagde Speirs." Hver successive dråbe danner et hulrum ved bunden af ​​det foregående hulrum. "

At skelne tærsklen mellem høj og lav frekvens er en vigtig del af teamets resultater. Speirs siger, at der aldrig har været et tal, der definerer denne tærskel. Så han og hans team udviklede en.

"Vi kan definere typer af hulrum baseret på et nyt dimensionsløst nummer, vi kalder Matryoshka -nummeret. Hvis tallet er mindre end et, hulrummet vil falde sammen, inden den næste dråbe rammer. Hvis den er over en, vi forudsiger at se dannelsen af ​​indlejrede hulrum. "

Forskerne siger, at deres undersøgelse tilbyder nye applikationer til hverdagen.

"Det har længe været kendt, at en væskestråle overgår til en strøm af dråber kun få centimeter fra strålens kilde, "sagde medforfatter og USU-lektor Tadd Truscott." Dette betyder, at når almindelige daglige stråler påvirker en vandpølle-f.eks. vand fra en vandhane til en køkkenvask, eller en urinstrøm, der falder ned i et toilet - dråbestrømmene skaber hulrum, der ligner dem, vi studerer på Splash Lab. "

At forstå nuancerne ved stænketyper kan føre til enheder, der reducerer stænk tilbage og giver renere miljøer.

I industrien, en mere grundig forståelse af dette aldrig før forklarede aspekt af væskedynamik kan også føre til fremskridt inden for fremstilling af kemikalier og lægemidler. Speirs siger, at resultaterne er særligt nyttige til udvikling af sikrere og mere effektive processer, hvor sprøjt tilbage er et problem.