Natuurkundigen van de Universiteit van Chicago die werkzaam zijn in het ontluikende veld van experimentele vortexdynamica hebben, met onverwachte hulp van een Sharpie marker, bereikte de eerste metingen van een ongrijpbare maar fundamentele eigenschap van vloeistofstroom.

Tot nu, er was in het laboratorium geen manier geweest om de totale heliciteit te meten, of de maat van wanneer twee vortexringen met elkaar verstrengelen. In hun experimenten, het UChicago-team creëerde wervels met dunne kernen - de soorten die worden aangetroffen in vliegtuigkielzog en insectenvlucht - door draagvleugelboten te produceren met behulp van een 3D-printer.

Met wat geluk, de rode Sharpie-marker die werd gebruikt om de draagvleugelboten te labelen, bevatte rhodamine-kleurstof, die fluoresceerde bij bestraling met laserlicht. Toen de draagvleugelboten in een watertank werden geplaatst, de kleurstof begon te diffunderen, en toen de draagvleugelboot werd versneld, de kleurstof werd in de kern van de nieuw gecreëerde vortex gezogen - een proces dat werd vastgelegd via laserscantomografie met hoge snelheid.

De nieuwe bevindingen, gepubliceerd op 3 aug. in Wetenschap , zijn de eersten die aantonen dat heliciteit een constante waarde behoudt tijdens de stroom van viskeuze vloeistoffen. Vortexdynamica heeft belangrijke toepassingen in het dagelijks leven; meteorologen, bijvoorbeeld, zie heliciteit als een factor die bijdraagt ​​aan de vorming van superceltornado's.

"Het feit dat we voor het eerst enkele metingen hebben die heliciteit aantonen, kan worden behouden, vooral in de aanwezigheid van rekken, direct kan vertalen naar die inspanningen, " zei William Irvine, een universitair hoofddocent natuurkunde, die de bevindingen samen met vier co-auteurs publiceerde.

Wendingen en bochten

In hun laatste onderzoek bestudeerden de natuurkundigen drie verwante vormen van heliciteit:draaien, koppelen en kronkelen. De drie vormen zijn gewoon verschillende manieren om geometrisch verwante vormen te beschrijven die zijn gedraaid of uitgerekt. Elke vortexbuis kan worden gevisualiseerd als een bundel filamenten, vergelijkbaar met die samengebonden in een gedraaid touw.

"Als je een stuk touw of een telefoonsnoer neemt en het oprolt, dan zouden we zeggen dat het midden van dit touw of telefoonsnoer kronkelt, "Zei Irvine. "En als we dan dit ding dat we opgerold hebben, nemen en het recht trekken, je zou zien draaien in de lengte."

Het simuleren van heliciteit in die stromen was moeilijk vanwege de wijd gescheiden maar onderling verbonden schalen waarin ze opereren. Eerder werk was grotendeels theoretisch en betrof hypothetische, eenvoudiger vloeistoffen die totaal geen viscositeit hebben. Berekeningen toonden aan dat heliciteit behouden was in deze hypothetische vloeistoffen, maar viscositeit kwam naar voren als een belangrijke factor in de stroom van werkelijke vloeistoffen.

"Een van de kernproblemen is dat je kenmerken van de stroom moet bemonsteren of meten die bestaan ​​op zeer verschillende lengteschalen, zei Martin Scheeler, de hoofdauteur van de studie, die onlangs zijn doctoraat in de natuurkunde behaalde aan UChicago. De schalen variëren van de diameter van een vortex (ongeveer 30 centimeter of één voet) tot de diameter van zijn dunne kern (ongeveer één millimeter of drie honderdsten van een inch).

"Je moet de stroom in de kern meten, evenals de algemene vormevolutie van die vortex, "Zei Irvine. "Dat is nogal een scheiding." Hij karakteriseerde het werk van Scheeler bij het overwinnen van de experimentele uitdagingen - tegelijkertijd de fijne details van de stroming volgen en toch de kritische dynamiek op grotere schaal meten - als "een hoogstandje."

'Het zijn de gekkere dingen die werken'

De groep van Irvine had eerder bubbels gebruikt om baanbrekend onderzoek te doen naar de dynamiek van wervels in hun watertankexperimenten. De heliciteitsmetingen, echter, iets anders nodig, die toevallig werd verstrekt door de Sharpie.

Kleurstof wordt al lang gebruikt in vortex-experimenten, maar minder precies. Bij eerdere experimenten is de kleurstof werd diffuus in de tank geplaatst, en dan zouden de draaikolken hen omhullen. Maar de Sharpie bood de mogelijkheid om de kleurstof precies in het midden van de wervels te plaatsen, als Scheeler minutieus stippen schilderde op de gehele lengte van de draagvleugelboten.

"We hadden ons niet echt gerealiseerd dat dat een mogelijkheid was totdat we kleurstof van de draagvleugel zagen afvloeien, " zei Scheeler, die de creativiteit en vrijheid waardeerde die betrokken waren bij het ontwerpen van experimenten voor een ontluikend veld van de natuurkunde.

"Er is echt geen draaiboek, en dat is heel spannend, "zei hij. "Je mag allerlei verschillende dingen uitproberen, en soms zijn het de gekkere dingen die werken."