Ett team av forskare vid Université Côte d'Azur och Hokkaido University har nyligen genomfört en studie som undersöker den spontana bildningen av spiralmönster som observerats på den nedåtvända fria ytan av en horisontell vätskefilm. Ytan som undersöks av dem medför Rayleigh-Taylor instabilitet, som destabiliserar gränssnittet mellan två vätskor med olika densiteter när den tyngre vätskan trycker ner den lättare.

Forskarna observerade att vätskeutsläpp som härrör från denna instabilitet kan uppstå i form av förökande flytande gardiner, som genereras vid filmens cirkulära periferi och framstår som inåt roterande spiralarmar. Med hjälp av en fenomenologiskt konstruerad cellulär automat, de visade att dessa mönster härrör från faslåsning, vilket leder till en periodisk vätskeutsläpp vid en konstant flödeshastighet över hela filmytan.

"För ungefär 15 år sedan Dr Laurent Limat och hans kollegor studerade spatio-temporal dynamik i vätskekolonner som rör sig fritt längs kanten av en cirkulär skål, "Christian Mathis, en av forskarna som genomförde denna studie, berättade Phys.org . "Inspirerad av deras arbete, vi började studera en tvådimensionell sammansättning av vätskekolonner, i hopp om att beskriva alla sekundära instabiliteter relaterade till symmetriförluster. Vi hittade bara en sådan instabilitet, men vi upptäckte att vi stod framför ett ganska enkelt system som visar extremt rikt beteende. "

I deras studie, Mathis och hans kollegor observerade att ökad flödeshastighet gav upphov till en rad komplexa mönster, inklusive ett vanligt sexkantigt galler av droppar, ett vanligt sexkantigt galler av kolumner, spatio-temporalt intermittent beteende hos kolumner och, till sist, flytande gardiner som bildar spiralvågor.

Apparaten de använde är ganska enkel, består huvudsakligen av ett halvstängt cylindriskt kärl, med silikonolja som kontinuerligt hälls i det genom ett inlopp på toppen och ett fint nätnät längst ner. Kärlet innehåller en konstant mängd olja, bestäms av jämvikten för ett undertryck i kärlet och oljans vikt.

Överdriven vätska i kärlet läcker genom gallret och bildar en vätskefilm under det. Den här filmen destabiliserar på olika sätt, beroende på oljeflödet och viskositeten. Inuti denna apparat, allt är gjort av transparent PMMA, eftersom detta möjliggör enkel observation och exakta videomätningar med anpassad blixt.

"Vid en tillräckligt hög flödeshastighet, flytande gardiner dyker upp, rör sig som vågor och sluta snurra runt någon mittpunkt och bilda roterande spiralarmar, "Mathis förklarade." Vi mätte rotationsfrekvensen för varje arm och för hela mönstret och längden på armarna. Nyckelobservationen är den spontana spiralbildningen genom att bryta systemets rotationssymmetri. "

Spiralmönster finns i många system, både i laboratorieexperiment och i naturen. De flesta av dessa spiralmönster roterar, med spiralarmarna bakom rotationsriktningen. Mönster som roterar i motsatt riktning är ganska sällsynta och kallas antispirala.

"Vi har visat att antispirala mönster kan produceras i ett enkelt vätskesystem, för vilka vi känner till alla styrande ekvationer, "Harunori Yoshikawa, en annan forskare som genomförde studien, berättade Phys.org . "Djup undersökning av detta" välkända "system skulle ge insikter om sällsynta förekomster av antispirala mönster."

Experimentet utfört av Yoshikawa, Mathis och deras kollegor kan bana väg för ytterligare studier som undersöker manifestationen av antispirala mönster. Dessutom, deras studie kan ge ett riktmärke för teorier om mönsterbildning.

"Vi fokuserar nu på teoretisk modellering, söker en lämplig modellekvation och intervallet av inblandade parametrar, "Säger Yoshikawa." Vi hoppas att vi teoretiskt kommer att avslöja de väsentliga egenskaperna hos dessa mönsterbildningsprocesser. "

Forskarna undersöker för närvarande också andra mönster som observerats i deras system, eftersom de inåt roterande spiralerna bara var en av deras observationer. Till exempel, droppregimen och några av vätskekolonnernas säregna beteende har ännu inte undersökts ingående. I studien som utfördes av Mathis, Yoshikawa och deras kollegor, spiralernas dynamik tycktes vara relaterad till egenskaperna hos själva vätskefilmen, en upptäckt som de också vill utforska vidare.

© 2019 Science X Network