Det är ett vanligt simspel:Tvinga en flytande boll under vattnet och låt den gå. Bollen springer upp till ytan och hoppar upp i luften. Men, sänka bollen djupare under vattnet och effekten är ofta en besvikelse. I motsats till vår intuition, Att öka släppdjupet leder ofta till en minskad popup-höjd.

Denna enkla vätskedynamikfråga har förbryllat fysiker i årtionden, men en ny studie publicerad 1 november i Fysiska granskningsvätskor , erbjuder ett nytt perspektiv på fenomenet och kan klargöra ämnen som rör vattenutgångsdynamik och havsteknik.

Ett team av forskare från Utah State University, Dartmouth College och Brigham Young University använde höghastighetsavbildning och partikelbildshastighet för att beskriva varför flytande sfärer som stiger genom en vätska inte alltid beter sig som vi förväntar oss att de ska göra.

"Popup-höjden beror på sfärens hastighet vid den punkt där den bryter mot den fria ytan, "sade ledande utredare och biträdande professor i maskinteknik vid USU, Tadd Truscott. "Det spelar ingen roll hur djup bollen är när den släpps. Det finns ett antal faktorer som påverkar dess hastighet och bana tills den når ytan."

Under uppstigningen, vakna och virvelstrukturer bildas ofta runt sfären. Asymmetrisk virvelavlossning och väckningsformationer kan förändra en sfärs rörelse uppåt och resultera i en olinjär bana. Författarna visar att stigande sfärer vanligtvis faller under en av två accelerationskategorier:1) en vertikal regim, eller 2) en oscillerande regim.

"Den vertikala regimen uppvisar en nästan vertikal undervattensbana och resulterar i de största popup-höjderna, "förklarar Brenden Epps, biträdande professor i teknik vid Dartmouth och medförfattare till studien. "Den oscillerande regimen uppvisar en bana med periodiska sidorörelser och resulterar i lägre popup-höjder. Ibland kan bollen till och med bryta mot ytan och skumma över den snarare än att stiga upp i luften."

För att testa stigande sfärbeteende, forskare nedsänkte bollar i rostfritt stål i en testtank på olika djup och höll dem på plats med hjälp av en sugkopp kopplad till en vakuumfrigöringsmekanism. Efter tillräcklig väntetid för att vattnet ska bli stilla, sugkoppen släppte sfären medan fyra synkroniserade höghastighetskameror registrerade dess uppstigning.

Totalt, 664 tester utfördes med fyra kulor med olika diametrar och släppdjup. Som förväntat, de maximala popup-höjderna inträffade när sfärer släpptes från grunda djup. De lägsta popup-höjderna inträffade när sfärer släpptes från större djup.

Men samtalet slutar inte där. En del av popup-höjdproblemet beror också på vad som händer med sfären vid punkten för ytbrott.

"När sfären rensar ytan, den enda kraft som verkar på den är gravitationen, "Truscott tillagt." Så popup-höjden bestäms av en överföring av rörelseenergi till potentiell energi i sfären efter att ytan har rensats. Dock, sfärens hastighet (och därmed rörelseenergin) efter att den har rensat ytan dikteras både av den hastighet med vilken den närmar sig ytan (inställd av undervattensdynamiken) och förändringen av hastigheten under brott. "

Författarna säger att deras studie har ett brett spektrum av tillämpningar. En bättre förståelse av dynamiken i vattenutsläpp, de förklarar, kan vara användbar inom sjöteknik och marinbiologi.

"Pingviner lämnar vattnet efter en jakt eller för att undvika rovdjur, "skriver de." Det har antagits att kejsarpingviner använder bubblor som släpps från fjädrarna under uppstigningen för att minska motståndet och öka utgångshastigheten och popup-höjden. ... Andra viktiga tillämpningar av popup-effekten inkluderar utskjutning av undervattensfordon, flytande havsstrukturer och vågenergiomvandlare. "