211service.com
Ciekawe właściwości fal na soplach
Dziwną cechą sopli jest to, że ich powierzchnia może czasami pofałdować się, jak na powyższym obrazku. Długość fali tych zmarszczek wynosi zawsze około 1 cm.
Około dziesięć lat temu Kazuto Ueno, obecnie pracujący na Université du Québec á Chicoutimi w Kanadzie, opracował model teoretyczny wyjaśniający to zjawisko.
Jego myślenie wygląda tak. Sople pokryte są cienką warstwą wody przechłodzonej do temperatury poniżej 0 stopni C, która płynie pod wpływem siły grawitacji. Kiedy ta warstwa zamarza, uwalnia ciepło, które może łatwiej promieniować z wypukłej części fali niż z wklęsłej części. Tak więc lód preferencyjnie tworzy się na wypukłych obszarach, czyniąc je większymi.
Powierzchnia sopli zaczyna się gładko, ale drobne zakłócenia w przepływie wody przez nie tworzą fale, które szybko zamarzają w tym dworze. Długość fali tych zmarszczek jest określona przez właściwości transportu ciepła wody przepływającej przez lód, które są w przybliżeniu stałe, co wyjaśnia stałą długość fali. Voila!
Jednak model Ueno zawiera trzy inne prognozy dotyczące tych zmarszczek, których do tej pory nigdy nie zaobserwowano. Po pierwsze, długość fali zmarszczek powinna wzrastać wraz ze zmniejszaniem się kąta pochyłej płaszczyzny; po drugie, że długość fali powinna rosnąć tylko stopniowo wraz ze wzrostem dopływu wody; i wreszcie, że fale powinny poruszać się w górę mniej więcej o połowę szybciej niż średnia stopa wzrostu.
Dziś wraz z kilkoma kumplami ujawnia wyniki swoich wysiłków, aby przetestować te przewidywania zarówno w symulacjach numerycznych, jak iw eksperymentach laboratoryjnych.
Najważniejsze jest to, że potwierdzają przewidywania. Długość fali może zmieniać się w sposób, w jaki przewidział, a fale przesuwają się powoli w górę, mimo że woda spływa w dół.
Wszystko to ma ciekawy wniosek. W tej pracy woda zawsze płynie pod wpływem siły grawitacji. Ale co się dzieje, gdy w grę wchodzą również siły aerodynamiczne, czyli innymi słowy, jak wiatr wpływa na fale?
To ważne, ponieważ może rzucić światło na proces zamarzania skrzydeł i turbin samolotów, co jest poważnym i potencjalnie zagrażającym życiu problemem.
Ueno i spółka twierdzą, że zastanawiają się nad tym pytaniem i dadzą nam znać, gdy się dowiedzą.
Nr ref.: arxiv.org/abs/1102.4890 : Numeryczna i eksperymentalna weryfikacja teoretycznego modelu powstawania zmarszczek podczas wzrostu lodu w przepływie filmu przechłodzonej wody
21 marca 2011 Korekta:
Kazuto Ueno pisze, że następujące zdanie w tym poście nie reprezentuje jego poglądu: Kiedy ta warstwa zamarza, uwalnia ciepło, które może łatwiej promieniować z wypukłej części fali niż z części wklęsłej. Tak więc lód preferencyjnie tworzy się na wypukłych obszarach, czyniąc je większymi.
Zamiast tego podaje następujące wyjaśnienie: każda wypukła część granicy woda-powietrze jest lekko przesunięta w górę w stosunku do granicy lód-woda, wtedy wydzielanie ciepła utajonego jest duże po górnej stronie każdej wypukłej części lodu -interfejs wody. Oznacza to, że lód rośnie szybciej w górnym biegu rzeki niż w dolnym biegu jakiejkolwiek wypukłej części granicy wody z lodem. W rezultacie nie tylko wzrasta amplituda fal, ale również fale przesuwają się w górę z czasem, jak zaobserwowano eksperymentalnie.