På stranden i Nederländerna 2016. Konstigt formade ringar. Är det samma effekt som vi ser? Här, många olika effekter spelar in. Upphovsman:Simen Andreas Ådnøy Ellingsen, NTNU
Han löste ett 127 år gammalt fysikproblem på papper och bevisade att offcentrerade båtvakenheter kan finnas. Fem år senare, praktiska experiment visade honom rätt.
"Att se bilderna visas på datorskärmen var den bästa arbetsdagen jag någonsin har haft, säger Simen Ådnøy Ellingsen, docent vid NTNU:s institution för energi och processteknik.
Det var den dagen som Ph.D. kandidaten Benjamin Keeler Smeltzer och masterstudenten Eirik Æsøy hade på labbet visat att Ellingsen hade rätt och skickade till honom bilderna från experimentet. Fem år sedan, Ellingsen hade utmanat accepterad kunskap från 1887, beväpnad med penna och papper, och vann.
Han löste ett problem angående den så kallade Kelvinangle i båtvakenheter, som har varit obestridd i 127 år. Båtvaken är det v-formade mönstret som en båt eller kanot gör när du rör dig genom vattnet. Du har utan tvekan sett en vid något tillfälle.
39 grader
Det har länge antagits att vinkeln på det v-formade vaket bakom en båt alltid ska vara strax under 39 grader, så länge vattnet inte är för grunt. Oavsett om det ligger bakom en supertanker eller en anka, detta borde alltid vara sant. Eller inte. För som så många accepterade fakta, det visar sig vara fel, eller åtminstone inte alltid fallet. Ellingsen visade detta.
"För mig, det var ett helt nytt område, och ingen sa till mig att det var svårt, "Ellingsen förklarade när han först gjorde sin upptäckt.
Utan strömmar, ringvågor är perfekta cirklar. Men med strömmar under ytan, ringarna är avlånga och utanför mitten. Upphovsman:NTNU
Båtvakningar kan faktiskt ha en helt annan vinkel under vissa omständigheter, och kan till och med vara centrerad med avseende på båtens riktning. Detta kan hända när det finns olika strömmar i olika vattenlager, kallas skjuvflöde. För skjuvflöde, Kelvins teori om båtväckningar är inte tillämplig.
"Det tog genialitet hos människor som Cauchy, Poisson och Kelvin för att lösa dessa vågproblem för första gången, även för det enklaste fallet av stilla vatten utan strömmar. Det är mycket lättare för oss att ta reda på de mer allmänna fallen senare, som vi har gjort här, ”Förklarar Ellingsen.
Avlånga ringar
Ringvågor fungerar också roligt under vissa omständigheter. Om du kastar en sten i en sjö en fredlig sommardag, vågmönstret blir perfekt, koncentriska cirklar. Men inte om det finns skjuvflöde. Sedan, ringarna kan förvandlas till ovaler. Ellingsen förutspådde också detta, utökar Cauchy och Poissons teori från 1815.
"Efter att jag gjort de första beräkningarna, Jag var på en strand i Nederländerna och såg vattnet rinna tillbaka efter en våg. Jag gjorde några ringar i vattnet och tog några foton. Tittar på dem senare, ringarna såg avlånga ut för mig, och jag blev ganska upphetsad. Det var inte vetenskap, självklart, men nu är det! ”säger Ellingsen.
Labforskning säkerhetskopierar beräkningar
Det var så Ellingsen hamnade på omslaget till Journal of Fluid Mechanics . Men alla hans beräkningar hade gjorts på papper, och hade ännu inte observerats empiriskt.
Båten rör sig i samma hastighet i alla dessa bilder, 50 cm/s. Enligt Kelvins teori, alla tre av dessa väckningar ska se likadana ut, men det gör de inte. Försök att räkna tvärgående vågor bakom båten (den lilla vita fläcken högst upp på varje bild). Vänster:Snedvågor. Här, ytan rör sig inte, men det finns en ström under ytan. Center:Samma hastighet, även med ytan i vila, men för detta fall finns det en undervattensström mot rörelseriktningen. Höger:För detta fall, båten och undervattensströmmen rör sig i samma riktning, fortfarande utan ytrörelse. (Detta är strax efter att båten började röra sig, så att du kan se att vågorna är närmare varandra på baksidan). Upphovsman:NTNU
Nu, dock, det finns laboratorieforskning för att säkerhetskopiera hans arbete, tack vare Ph.D. kandidat och masterstudent som kunde genomföra experiment i en specialutvecklad forskningstank, med Ellingsen som deras handledare.
Eirik Æsøy har en bakgrund som tekniker, vilket sparade tid och pengar för att bygga labbet. Det tog ungefär sex månader att få allt att fungera.
"Æsøy och jag satte upp all utrustning för att skapa de strömmar vi behövde, "Smeltzer förklarar. Deras resultat har också publicerats i Journal of Fluid Mechanics .
"Det är ganska anmärkningsvärt att experimenten från vårt lilla vågbassäng publiceras där, säger Smeltzer.
Praktiska tillämpningar
Resultaten från deras forskning om Kelvin -vinkeln kan få verkliga praktiska konsekvenser, till exempel att hjälpa till att minska bränsleförbrukningen i fartyg. En stor del bränsle på fartyg går faktiskt till att göra vågor.
"Bränsleförbrukningen kan fördubblas om fartyget färdas nedströms jämfört med uppströms, Sa Ellingsen.
Dessa beräkningar görs baserat på strömmar vid mynningen av Columbia River i Oregon i USA. Här är strömmarna starka och båtarna många.
Så forskning om båtar och fartyg i olika strömmar är viktig för alla som är intresserade av att minska bränsleförbrukningen och följaktligen, utsläpp.
Båt vaknar framför båten
Ellingsen insisterar på att deras resultat inte motbevisar Kelvins teori, bara förlänga den. Kelvins vinkel gäller fortfarande så länge det inte finns några strömlager under ytan när vattnet är djupt.
Men så fort det rör sig mellan vattenlagren, så att olika lager rör sig i olika hastigheter, vinkeln ändras. Ibland mycket. I teorin, med extremt starka strömmar som rör sig vinkelrätt mot båtens riktning, kölvattnet kan faktiskt hamna framför båten på ena sidan.
"Då borde du nog segla någon annanstans, säger Ellingsen.
