До сих пор в лаборатории не было способа измерить полную спиральность или момент, когда два вихревых кольца переплетаются. В своих экспериментах команда из Калифорнийского университета в Чикаго создала вихри с тонкими сердцевинами – те, что встречаются в следах самолетов и полете насекомых – путем создания подводных крыльев с помощью трехмерного принтера.
К счастью, красный маркер Sharpie, использованный для маркировки судов на подводных крыльях, содержал краситель родамин, который флуоресцировал при освещении лазерным светом.
Когда подводные крылья были помещены в резервуар для воды, краситель начал диффундировать, а когда подводное крыло было ускорено, краситель засосался в ядро вновь созданного вихря – процесс, зарегистрированный с помощью высокоскоростной лазерной сканирующей томографии.
Новые результаты, опубликованные в августе.
3 в науке, впервые показали, что спиральность сохраняет постоянное значение во время течения вязких жидкостей. Вихревая динамика имеет важные приложения в повседневной жизни; метеорологи, например, рассматривают спиральность как фактор, способствующий образованию торнадо суперячейки.
«Тот факт, что у нас впервые есть некоторые измерения, которые показывают, что спиральность может быть сохранена, особенно при наличии растяжения, может напрямую повлиять на эти усилия», – сказал Уильям Ирвин, доцент физики, который опубликовал результаты вместе с четыре соавтора.
Крутилки и повороты
В своем последнем исследовании физики изучили три связанных формы спиральности: скручивание, связывание и изгиб. Три формы – это просто разные способы описания геометрически связанных форм, которые были скручены или растянуты.
Каждую вихревую трубку можно представить как пучок нитей, похожих на те, что связаны в скрученную веревку.
«Если вы возьмете кусок веревки или телефонного шнура и скрутите его, то мы скажем, что центр этой веревки или телефонного шнура извивается», – сказал Ирвин. "И если мы затем возьмем эту свернутую спиралью штуку и потянем прямо, вы увидите скручивание по ее длине."
Моделирование спиральности в этих потоках было затруднено из-за широко разделенных, но взаимосвязанных масштабов, в которых они действуют. Предыдущая работа была в основном теоретической и касалась гипотетических, более простых жидкостей, полностью лишенных вязкости. Расчеты показали, что спиральность в этих гипотетических жидкостях сохранялась, но вязкость оказалась важным фактором в потоке реальных жидкостей.
«Одна из основных проблем заключается в том, что вам нужно выбрать или измерить характеристики потока, которые существуют на очень разных масштабах длины», – сказал Мартин Шилер, ведущий автор исследования, который недавно защитил докторскую диссертацию по физике в Калифорнийском университете в Чикаго. Шкалы варьируются от диаметра вихря (примерно 30 сантиметров или один фут) до диаметра его тонкой сердцевины (примерно один миллиметр или три сотых дюйма).
«Вам необходимо измерить поток внутри ядра, а также общую эволюцию формы этого вихря», – сказал Ирвин. "Это настоящее разделение.«Он охарактеризовал работу Шеелера по преодолению экспериментальных проблем – одновременное отслеживание мелких деталей потока и измерение критической крупномасштабной динамики – как« проявление силы »."
“ Работают самые дурацкие штуки ”
Группа Ирвина ранее использовала пузырьки для проведения новаторских исследований динамики вихрей в своих экспериментах с резервуарами для воды. Однако измерения спиральности требовали чего-то другого, что по счастливой случайности было предоставлено через Sharpie.
Краситель давно используется в вихревых экспериментах, но менее точно.
В предыдущих экспериментах краситель помещался в резервуар диффузно, а затем вихри окружали их. Но Sharpie предоставил возможность точно разместить краситель в центре вихрей, поскольку Шилер кропотливо нарисовал точки по всей длине подводных крыльев.
«Мы действительно не осознавали, что это возможно, пока не увидели, как краска стекает с судна на подводных крыльях», – сказал Шилер, который ценил творческий подход и свободу, связанные с разработкой экспериментов для зарождающейся области физики.
«На самом деле нет никакого сценария, и это действительно интересно», – сказал он. "Вы можете попробовать самые разные вещи, и иногда работает более дурацкая штука."