En 127-årig fysikgåde løst

Han løste et 127-årigt fysikproblem på papir og beviste, at off-centrerede bådvågner kunne eksistere. Fem år senere, praktiske forsøg viste ham ret.

"At se billederne vises på computerskærmen var den bedste arbejdsdag, jeg nogensinde har haft, "siger Simen Ådnøy Ellingsen, lektor ved NTNUs Institut for Energi- og Procesingeniør.

Det var den dag, hvor ph.d. kandidat Benjamin Keeler Smeltzer og kandidatstuderende Eirik Æsøy havde på laboratoriet vist, at Ellingsen havde ret og sendte ham billederne fra forsøget. Fem år siden, Ellingsen havde udfordret accepteret viden fra 1887, bevæbnet med en pen og papir, og vandt.

Han løste et problem vedrørende den såkaldte Kelvinangle i bådvågne, som har været uimodsagt i 127 år. Bådens vågne er det v-formede mønster, som en båd eller kano laver, når den bevæger sig gennem vandet. Du har utvivlsomt set en på et tidspunkt.

39 grader

Det har længe været antaget, at vinklen på den v-formede kølvand bag en båd altid skal være lige under 39 grader, så længe vandet ikke er for lavt. Uanset om det er bag en supertanker eller en and, dette bør altid være sandt. Eller ikke. For som så mange accepterede fakta, det viser sig at være forkert, eller i hvert fald ikke altid tilfældet. Ellingsen viste dette.

"For mig, det var et helt nyt felt, og ingen fortalte mig, at det var svært, "Ellingsen forklarede, da han først fandt sin opdagelse.

Bådvågner kan faktisk have en helt anden vinkel under visse omstændigheder, og kan endda være centreret med hensyn til bådens retning. Dette kan ske, når der er forskellige strømme i forskellige vandlag, kendt som forskydningsflow. For forskydning, Kelvins teori om bådvågner er ikke relevant.

"Det tog genialitet hos mennesker som Cauchy, Poisson og Kelvin for at løse disse bølgeproblemer for første gang, selv for det enkleste tilfælde af stille vand uden strøm. Det er langt lettere for os at finde ud af de mere generelle sager senere, som vi har gjort her, ”Forklarer Ellingsen.

Aflange ringe

Ringbølger virker også sjove under visse omstændigheder. Hvis du smider en sten i en sø på en fredelig sommerdag, bølgemønsteret vil være perfekt, koncentriske cirkler. Men ikke hvis der er forskydning. Derefter, ringene kan blive til ovaler. Ellingsen forudsagde også dette, udvidelse af Cauchy og Poissons teori fra 1815.

"Efter at jeg havde foretaget de første beregninger, Jeg var på en strand i Holland og så vandet strømme tilbage efter en bølge. Jeg lavede nogle ringe i vandet og tog nogle billeder. Kigger på dem senere, ringene så aflange ud til mig, og jeg blev ret begejstret. Det var ikke videnskab, selvfølgelig, men nu er det! ”siger Ellingsen.

Labforskning bakker op om beregninger

Sådan endte Ellingsen på forsiden af Journal of Fluid Mechanics . Men alle hans beregninger var udført på papir, og havde endnu ikke været observeret empirisk.

Nu, imidlertid, der er laboratorieforskning for at bakke op om hans arbejde, takket være ph.d. kandidat og kandidatstuderende, der var i stand til at udføre eksperimenter i en specialudviklet forskningstank, med Ellingsen som deres vejleder.

Eirik Æsøy har en baggrund som tekniker, hvilket sparede tid og penge i opbygningen af ​​laboratoriet. Det tog cirka seks måneder at få alting til at fungere.

"Æsøy og jeg opsatte alt udstyr til at skabe de strømme, vi havde brug for, "Smeltzer forklarer. Deres resultater er også blevet offentliggjort i Journal of Fluid Mechanics .

"Det er ret bemærkelsesværdigt, at eksperimenterne fra vores lille bølgebassin bliver offentliggjort der, ”siger Smeltzer.

Praktiske anvendelser

Resultaterne fra deres forskning om Kelvin -vinklen kan have reelle praktiske konsekvenser, såsom potentielt at hjælpe med at reducere brændstofforbruget i skibe. En stor del brændstof på skibe går faktisk til at lave bølger.

"Brændstofforbruget kan fordobles, hvis fartøjet kører nedstrøms i forhold til opstrøms, "Sagde Ellingsen.

Disse beregninger er foretaget baseret på strømme ved mundingen af ​​Columbia River i Oregon i USA. Her er strømmen stærk og bådene mange.

Så forskning om både og skibe i forskellige strømme er vigtig for alle, der er interesseret i at reducere brændstofforbruget og derfor, emissioner.

Båd vågner foran båden

Ellingsen insisterer på, at deres resultater ikke modbeviser Kelvins teori, kun forlænge det. Kelvins vinkel holder stadig, så længe der ikke er strømlag under overfladen, når vandet er dybt.

Men så snart der er bevægelse mellem lag af vand, så forskellige lag bevæger sig med forskellige hastigheder, vinklen ændres. Nogle gange meget. I teorien, med ekstremt stærke strømme, der bevæger sig vinkelret på bådens retning, kølvandet kan faktisk ende foran båden på den ene side.

”Så skal du nok sejle et andet sted, «siger Ellingsen.