Forskere observerer indadgående roterende spiraler i et nonoscillatory medium

Et team af forskere ved Université Côte d'Azur og Hokkaido University har for nylig udført en undersøgelse, der undersøgte den spontane dannelse af spiralmønstre observeret på den nedadvendte frie overflade af en vandret flydende film. Overfladen undersøgt af dem medfører Rayleigh-Taylor ustabilitet, som destabiliserer grænsefladen mellem to væsker med forskellige densiteter, når den tungere væske skubber den lettere ned.

Forskerne observerede, at væskeudledningen som følge af denne ustabilitet kan forekomme i form af formerende flydende gardiner, som genereres ved filmens cirkulære periferi og fremstår som indad roterende spiralarme. Ved hjælp af en fænomenologisk konstrueret cellulær automat, de demonstrerede, at disse mønstre stammer fra faselåsen, hvilket fører til en periodisk udledning af væske ved en konstant strømningshastighed over hele filmoverfladen.

"For cirka 15 år siden, Dr. Laurent Limat og hans kolleger studerede rumlig-tidsmæssig dynamik af flydende søjler, der bevæger sig frit langs kanten af ​​et cirkulært fad, "Christian Mathis, en af ​​forskerne, der udførte denne undersøgelse, fortalt Phys.org . "Inspireret af deres arbejde, vi begyndte at studere en todimensionel samling af flydende søjler, i håb om at beskrive alle de sekundære ustabiliteter relateret til tab af symmetri. Vi fandt lige en sådan ustabilitet, men vi opdagede, at vi stod foran et ret simpelt system, der viste ekstremt rig opførsel. "

I deres undersøgelse, Mathis og hans kolleger observerede, at forøgelse af strømningshastigheden gav anledning til en række komplekse mønstre, herunder et almindeligt sekskantet gitter af dråber, et almindeligt sekskantet gitter af søjler, spatio-tidsmæssigt intermitterende adfærd af kolonner og, endelig, flydende gardiner, der danner spiralbølger.

Det apparat, de brugte, er ret simpelt, bestående primært af et halvt lukket cylindrisk fartøj, med silikoneolie, der løbende hældes i det gennem et indløb øverst og et fintmasket gitter i bunden. Fartøjet indeholder en konstant mængde olie, bestemmes af ligevægten for et undertryk i beholderen og oliens vægt.

Overdreven væske i beholderen lækker gennem gitteret og danner en flydende film under den. Denne film destabiliserer på forskellige måder, afhængigt af olieflowhastigheden og viskositeten. Inde i dette apparat, alt er lavet af gennemsigtig PMMA, da dette muliggør let observation og præcise videomålinger med tilpasset lyn.

"Ved en tilstrækkelig høj strømningshastighed, flydende gardiner vises, bevæge sig som bølger og ende med at sno sig omkring et eller andet midtpunkt og danne roterende spiralarme, "Forklarede Mathis." Vi målte rotationsfrekvensen for hver arm og for hele mønsteret og længden af ​​arme. Den centrale observation er den spontane dannelse af spiraler ved at bryde systemets rotationssymmetri. "

Spiralmønstre findes i mange systemer, både i laboratorieforsøg og i naturen. De fleste af disse spiralmønstre roterer, med spiralarmene i retning af denne rotation. Mønstre, der roterer i den modsatte retning, er ret sjældne og kaldes antispirale midler.

"Vi har vist, at antispirale mønstre kan produceres i et simpelt flydende system, som vi kender alle de gældende ligninger til, "Harunori Yoshikawa, en anden forsker, der gennemførte undersøgelsen, fortalt Phys.org . "Dyb undersøgelse af dette 'velkendte' system ville give indsigt i sjældne forekomster af antispirale mønstre."

Eksperimentet udført af Yoshikawa, Mathis og deres kolleger kunne bane vejen for yderligere undersøgelser, der udforsker manifestationen af ​​antispirale mønstre. Ud over, deres undersøgelse kunne give et benchmark for teorier om mønsterdannelse.

"Vi fokuserer nu på teoretisk modellering, søger en passende modelligning og intervallerne af involverede parametre, "Yoshikawa sagde." Vi håber, at vi teoretisk vil afsløre de væsentlige træk ved disse mønsterdannelsesprocesser. "

Forskerne undersøger også i øjeblikket andre mønstre observeret i deres system, som de indad roterende spiraler blot var en af ​​deres observationer. For eksempel, det dryppende regime og nogle af væskesøjlernes særegne adfærd mangler endnu at blive undersøgt grundigt. I undersøgelsen udført af Mathis, Yoshikawa og deres kolleger, spiralenes dynamik syntes at være relateret til egenskaberne ved selve den flydende film, et fund, som de også søger at udforske yderligere.

© 2019 Science X Network