Forskare vid Utah State University skickar kaskader av vatten i en tank för att avslöja ett mysterium med vätskedynamik.

Efter en årslång forskningsstudie, teamet av ingenjörer och flytande dynamiker upptäckte fysiken bakom ett unikt undervattensfenomen som har liknats med Matryoshka -dockan - den traditionella ryska dockan i en docka.

I en studie som publicerades förra veckan i Journal of Fluid Mechanics , forskare från USU:s Splash Lab beskriver vad som händer när vattendroppar med snabb följd påverkar en lugn yta och skapar en lufthålighet under vattnet.

"När en ström av droppar träffar ytan, den drar luft under och skapar en luftfylld hålighet, "säger huvudförfattare och doktorand Nathan Speirs." Formen på hålrummen varierar beroende på påverkningsparametrarna som droppens diameter och hastigheten vid påverkan. "

När en kontinuerlig ström av vatten - en stråle - påverkar vattenytan, den bildar en cylindrisk form, djup, smalt hålrum. När droppar med långsam följd påverkar vattnet, de bildar enskilda hålrum som stängs och kollapsar innan nästa droppe träffar. Splash Lab-teamet ville veta vad som händer när droppar med snabb följd påverkar vattnet. Resultatet är en unik serie hålrum i hålrum som skapar ett ribbat utseende.

"Om frekvensen för de fallande dropparna är tillräckligt hög, dropparna träffar samma plats och skapar kapslade håligheter, "sade Speirs." Varje successiv droppe bildar ett hålrum vid basen av föregående hålighet. "

Att skilja tröskeln mellan hög och låg frekvens är en viktig del av teamets resultat. Speirs säger att det aldrig har funnits ett nummer som definierar denna tröskel. Så han och hans team utvecklade en.

"Vi kan definiera typerna av hålrum baserat på ett nytt måttlöst nummer som vi kallar Matryoshka -numret. Om talet är mindre än ett, hålrummet kommer att kollapsa innan nästa droppe träffar. Om den är över en, vi förutspår att se bildandet av kapslade hålrum. "

Forskarna säger att deras studie erbjuder nya tillämpningar för vardagen.

"Det har varit känt länge att en stråle av vätska övergår till en ström av droppar bara några centimeter från strålens källa, "sa medförfattare och USU-docent Tadd Truscott." Detta innebär att när vanliga dagstrålar påverkar en vattenpöl-till exempel vatten från en kran till ett diskbänk, eller en urinström som faller in i en toalett - droppströmmen skapar hålrum som liknar dem vi studerar på Splash Lab. "

Förstå nyanser av stänk typer kan leda till enheter som minskar stänk tillbaka och ger renare miljöer.

Inom industrin, en mer ingående förståelse av denna aldrig tidigare förklarade aspekt av vätskedynamik kan också leda till framsteg inom tillverkning av kemikalier och läkemedel. Speirs säger att resultaten är särskilt användbara för att utveckla säkrare och mer effektiva processer där stänk tillbaka är ett problem.