I en ny studie publicerad i Physical Review Letters , forskare utforskar hur små vattenstrålar kan skapa stabila periodiska svängningar på en solid skiva, avslöja ett samband mellan dessa rörelser och vågorna de genererar och ge insikter i det dynamiska samspelet mellan vätskebeteende.
Ett hydrauliskt hopp är ett fenomen som uppstår när en snabbt strömmande vätska plötsligt möter ett långsammare strömmande eller stillastående område. Denna plötsliga övergång resulterar i en förändring av flödets egenskaper, vilket orsakar bildandet av ett synligt hopp eller ökning av vätskans höjd.
I denna process omvandlas den snabbströmmande vätskans kinetiska energi till potentiell energi, vilket leder till förändringar i hastighet och flödesdjup. Detta fenomen observeras vanligtvis i olika miljöer, till exempel när en vätskestråle träffar en yta, till exempel i floder eller nedströms dammar.
Nu har forskare från Frankrike undersökt ett scenario där ett cirkulärt hydrauliskt hopp genomgår stabila periodiska svängningar på en solid skiva.
För att förklara teamets motiv bakom studien sa huvudförfattaren Aurélien Goerlinger till Phys.org:"Det hydrauliska hoppet är ett allestädes närvarande fenomen som verkar enkelt. Det är dock kontraintuitivt eftersom naturen föredrar mjuka övergångar framför abrupta.
"Därför är det hydrauliska hoppet svårt att modellera, trots att det studerats sedan Da Vincis tid. Eftersom många grundläggande aspekter återstår att förstå eller till och med upptäcka, förblir det hydrauliska hoppet ett aktivt studieområde för vårt team."
Den experimentella uppställningen i studien involverade generering av cirkulära hydrauliska hopp på en solid skiva med hjälp av en submillimeter vattenstråle.
Forskarna initierade en submillimeter vattenstråle, med en innerdiameter på 0,84 mm, riktad mot en plexiglasskiva med en 90-graders vinkelkantad yta placerad 1 cm under islagspunkten.
Denna process resulterade i bildandet av ett cirkulärt mönster av diskontinuitet där vätskan bildade en tunn film runt anslagspunkten. Den tunna filmen tjocknade plötsligt på ett visst radiellt avstånd, vilket gav upphov till den karakteristiska cirkulära formen på det hydrauliska hoppet.
För att hjälpa till att visualisera detta fenomen tillhandahöll Goerlinger en analogi, där han sa:"När man öppnar kranen i sitt kök och tittar på botten av diskbänken nära inverkan av vätskestrålen, kan vi observera en ungefär cirkulär vätskevägg som skiljer två distinkta områden åt. .
"Det inre området, nära strålen, är grunt men flödet är snabbt, medan det yttre området är mycket djupare men flödet är också mycket långsammare. Denna vätskevägg kallas ett cirkulärt hydrauliskt hopp."
Forskarna varierade sedan experimentella parametrar, inklusive flödeshastigheten (2 till 3 mL/s) och skivradien (1 till 6 cm). De observerade olika beteenden baserat på dessa parametrar, såsom stationära hopp, transienta tillstånd med oscillationer, bistabila tillstånd med periodiska svängningar och systematiska stabila periodiska svängningar.
Analysen visade att svängningsperioden inte berodde på flödeshastigheten utan visade ett linjärt beroende av skivradien.
Intressant nog, för skivradier mer än 5 cm uppvisade datapunkterna två distinkta linjära trender med olika lutningar, vilket indikerar två distinkta oscillationslägen, som forskarna kallar fundamentala och harmoniska lägen.
Forskarna utvecklade en teoretisk modell för att förklara de observerade stabila spontana svängningarna, vilket tyder på att den härrör från interaktionen mellan det hydrauliska hoppet och yttyngdkraftsvågorna som bildas i skivans hålighet.
Ytgravitationsvågor utbreder sig längs vätskans yta och reflekteras vid kanten av det cirkulära hydrauliska hoppet. Denna reflektion bidrar till etablering och underhåll av svängningarna. Dessutom sägs dessa vågor förstärkas när de är i linje med ett av skivhålighetslägena.
Anmärkningsvärt nog förklarar forskarnas teoretiska modell inte bara de observerade svängningarna utan ger också prediktiva möjligheter. Den förutsåg kopplingen av avlägsna jetstrålar för att inducera svängningar i motsatta faser, ett fenomen som bekräftats genom experimentell observation.
Rent praktiskt betyder detta att den ena vattenstrålens rytmiska ebb och flöde kan påverka den andras svängningar, vilket skapar en synkroniserad dans där topparna och dalarna i den ena strålen motsvarar den andras.
Goerlinger lyfte fram betydelsen av deras arbete:"Trots omfattande forskning om detta fenomen har det cirkulära hydrauliska hoppet visat sig förbli stationärt i de flesta fall. Men vi är den första som rapporterar stabila spontana svängningar av det hydrauliska hoppet som inträffar medan den stötande strålen är stabil. Dessutom lyckades vi bygga en modell som förutsäger beteendet hos dessa svängningar."
Genom att framgångsrikt modellera de stabila periodiska svängningarna bidrar det teoretiska ramverket till en djupare förståelse av den komplexa dynamiken som är involverad i hydrauliska hopp.
Denna förståelse kan ha implikationer för olika områden, inklusive vätskedynamik och relaterade tekniska tillämpningar.
"Hydrauliska hopp är av stort intresse i områden där kylning och rengöring av ytor behövs. Den kan också finna sitt intresse för höghastighets- eller 3D-skrivare", förklarade Goerlinger.
Goerlinger tror att de bara skrapar på ytan med denna forskning och förklarade att de planerar att fortsätta forskningen inom detta område.
"Vi har bara delvis utforskat den rika fysiken hos detta nya fenomen. Effekterna av många experimentella parametrar återstår att undersöka, såsom vätskeegenskaper eller substratgeometri.
"Dessutom banar vårt arbete väg för studiet av interaktionen mellan flera oscillerande hopp och interaktionen mellan hydrauliska hopp och vågor i allmänhet", avslutade han.
Mer information: Aurélien Goerlinger et al, Oscillations and Cavity Modes in the Circular Hydraulic Jump, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.194001
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
© 2023 Science X Network
