Рис. 2. После столкновения диска с водой образуется воздушная полость с вертикальной осью симметрии (а). Под действием гидростатического давления со стороны жидкости воздушная полость начинает схлопываться и тем самым рождает струю воздуха (b). Перед тем как вода окончательно отсечет воздушную полость, воздух вытекает из нее, согласно расчетам ученых, со скоростью около 10 м/с (c). Движущиеся области воздуха искусственно раскрашены оранжевым цветом, вода показана светло-серым цветом. Размер перешейка определялся с помощью лазера. Видео процесса столкновения можно посмотреть . Рисунок из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.
Экспериментальная установка состояла из тонкого круглого диска радиусом 2 см. К центральной части его нижней стороны был прикреплен тонкий стержень, с помощью которого имитировалось падение диска с постоянной скоростью 1 м/с. Чтобы визуализировать, как воздух вытекает из образующейся воздушной полости, ученые использовали микроскопические (3 мкм) капельки глицерина. Эти капельки создавали над поверхностью воды дымовую завесу, которая затем увлекалась диском при его вхождении в жидкость. В распоряжении исследователей также находилась высокоскоростная камера, способная записывать видео со скоростью 15 000 кадров в секунду. На рис. 2 показаны три снимка, полученные с помощью такой камеры.
Год назад «Элементы» о публикации группы голландских и испанских физиков, построивших по результатам своих экспериментов теоретическую модель, объясняющую экстремально малую толщину струй Уортингтона. Теперь эта же коллаборация обнаружила необычный эффект, который возникает при падении тела в жидкость. Оказывается, схлопывающаяся воздушная полость создает струю воздуха, которая имеет скорость, близкую к скорости звука. Более того, в самый последний момент, перед тем как воздушная полость отсекается жидкостью, скорость вытекающего из нее воздуха значительно превосходит даже скорость звука, то есть исходящий из полости поток воздуха становится сверхзвуковым. Результаты своих экспериментальных и теоретических исследований ученые опубликовали в статье в журнале Physical Review Letters (полный текст доступен , PDF, 472 Кб).
Столкновение твердого тела с ровной поверхностью жидкости рождает последовательность нетривиальных событий, являющихся предметом активного интереса ученых на протяжении уже более ста лет. В 1908 году была издана книга английского физика Артура Уортингтона. В своей книге он впервые подробно исследовал и описал процесс столкновения твердого тела с жидкой средой. Если попытаться кратко изложить это явление, происходит следующее (см. рис. 1): сталкивающийся объект образует в жидкой среде полость с вертикальной осью симметрии, которая, благодаря гидростатическому давлению, начинает схлопываться, что приводит к образованию воздушного перешейка (или сужения) и в конечном итоге — к отсечке стенками жидкости воздушной полости. Далее из точки, где воздушная полость отсекается, выбрасываются вверх и вниз две очень тонкие струи — струи Уортингтона.
Известно, что при падении твердого тела в жидкость возникает воздушная полость, которая под действием гидростатического давления спустя некоторый промежуток времени схлопывается, образуя характерный всплеск. Эксперименты по столкновению тонкого диска с поверхностью воды, проведенные группой голландских и испанских физиков, и последующее численное моделирование указывают на то, что воздушная полость дополнительно создает еще и сверхзвуковую струю воздуха, которая может вытекать из полости со скоростью около 580 м/с.
Рис. 1. Схематический рисунок, демонстрирующий динамику столкновения твердого тела с жидкостью. Как показали голландские и испанские ученые в своей работе, буквально перед самой отсечкой воздушной полости из нее выходит струя воздуха (air jet), способная развить сверхзвуковую скорость. Рисунок с сайта stonebrakerdesignworks.com
Столкновение твердого тела с жидкостью может генерировать сверхзвуковой воздушный поток
Элементы - новости науки: Столкновение твердого тела с жидкостью может генерировать сверхзвуковой воздушный поток
Комментариев нет:
Отправить комментарий