Hjemme, gør-det-selv væskemekanikere

Selvom COVID-19-pandemien forårsagede mange forstyrrelser i uddannelsessystemet, førte den også til nogle overraskende fordele.

I Physics of Fluids , beskriver forskere fra University of Illinois i Urbana-Champaign deres arbejde med studerende på en hjemmeundersøgelse af kompleks væskeadfærd. Kurset dækker en type fysik kendt som rheologi, som bruges til at studere den måde, ikke-newtonske væsker eller halvfaste stoffer flyder på.

Newtonske væsker har en konstant viskositet, men ikke-newtonske væsker kan deformeres, når der påføres kraft. Nogle gange reagerer de med plastisk flow. Simple reometriske målinger kan udføres i enhvers hjem for at måle mængder såsom viskoelasticitet, forskydningsudtynding og andre rheologiske egenskaber.

"Vi kaldte oprindeligt projektet Shelter-in-Place Rheometry på grund af den akutte karakter af COVID-19-pandemien og shelter-in-place regler," sagde Randy Ewoldt, professoren involveret i udviklingen af ​​kurset. "Men vi indså, at ideen er mere generel og har siden taget til at kalde det gør-det-selv reometri."

De projekter, der blev tildelt de studerende, havde to dele:indsamling af kvalitative visuelle beviser for rheologiske egenskaber og kvantitative målinger. Eleverne tjekkede for fire adfærd:viskositet for forskydning, viskoelasticitet, normal forskydningsspændingsforskel og ekstensionsviskositet.

Selv uden adgang til laboratorie-rheometre udviklede eleverne kreative og unikke måder at udføre deres målinger på. De undersøgte en række almindelige stoffer, herunder smørcremeglasur, tandpasta, yoghurt, jordnøddesmør, mayonnaise, æggehvider og mange andre stoffer, der er tilgængelige i deres hjem.

En elev, Ignasius Anugraha, udviklede en kompressionstrykstrømsanalyse for at studere smørcremefrosting. Anugraha placerede frostingen mellem to papskiver og udsatte den for en kraft ved at stable ramekins fyldt med vand oven på skiverne.

Frostingen var i stand til at understøtte vægten af ​​vandet, indtil en kritisk værdi blev nået, hvorefter frostingen kollapsede på den ene side og pressede sig ud. Ved at bruge ligninger, der involverer vandets vægt, var Anugraha i stand til at måle en mængde kendt som flydespændingen.

En anden studerende, Max Friestad, udtænkte et eksperiment for at studere en adfærd kendt som tyngdekraftsdrevet filament-strækning. Friestad suspenderede en tube tandpasta lodret og klemte den forsigtigt, og udstødte en klat tandpasta, der langsomt strakte sig ud og strakte sig nedad. Ved at bruge en mobiltelefon med et højhastighedskamera med billedhastighed var Friestad i stand til at tage målinger og beregne forlængelsesviskositeten.

Kurset var så vellykket, at fakultetet fortsætter med at tilbyde det, både personligt og online.

"Vi arbejder i øjeblikket på en gennemgang af metoder, som vi mener vil være nyttige ikke kun til kurser og undervisning, men også til forskning og teknisk kommunikation," sagde M. Tanver Hossain.

Artiklen "Do-it-yourself rheometry" er forfattet af M. Tanver Hossain og Randy H. Ewoldt. Artiklen vil blive vist i Physics of Fluids den 10. maj 2022. + Udforsk yderligere

Den overraskende videnskab om solcreme, sand og is