Onderzoekers van de Utah State University sturen watervallen in een tank om een ​​mysterie van vloeistofdynamica te ontrafelen.

Na een jaar lang onderzoek, het team van ingenieurs en vloeistofdynamica ontrafeld de fysica achter een uniek onderwaterfenomeen dat wordt vergeleken met de Matryoshka-pop - de traditionele Russische pop in een pop.

In een onderzoek dat vorige week in de Journal of Fluid Mechanics , onderzoekers van USU's Splash Lab beschrijven wat er gebeurt als snel op elkaar volgende waterdruppels een kalm oppervlak raken en een luchtholte onder het water creëren.

"Als een stroom druppels het oppervlak raakt, het trekt lucht naar beneden en creëert een met lucht gevulde holte, " zegt hoofdauteur en promovendus Nathan Speirs. "De vormen van de holtes variëren op basis van de impactparameters zoals de diameter van de druppel en de snelheid bij impact."

Wanneer een continue stroom water - een straal - het wateroppervlak raakt, het vormt een cilindrische, diep, smalle holte. Wanneer langzame opeenvolging van druppeltjes het water raakt, ze vormen individuele holtes die sluiten en instorten voordat de volgende druppel toeslaat. Het team van Splash Lab wilde weten wat er gebeurt als druppeltjes met een snelle opeenvolging in het water vallen. Het resultaat is een unieke reeks holtes binnen holtes die een geribbeld uiterlijk creëren.

"Als de frequentie van de vallende druppels hoog genoeg is, de druppels raken dezelfde plek en creëren geneste holtes, "zei Speirs. "Elke opeenvolgende druppel vormt een holte aan de basis van de voorgaande holte."

Het onderscheiden van de drempel tussen hoge en lage frequentie is een belangrijk onderdeel van de bevindingen van het team. Speirs zegt dat er nooit een getal is geweest dat die drempel definieert. Dus ontwikkelden hij en zijn team er een.

"We kunnen de soorten holtes definiëren op basis van een nieuw dimensieloos getal dat we het Matryoshka-nummer noemen. Als het getal kleiner is dan één, de holte zal instorten voordat de volgende druppel toeslaat. Als het meer dan één is, we voorspellen de vorming van geneste holtes."

De onderzoekers zeggen dat hun studie nieuwe toepassingen biedt voor het dagelijks leven.

"Het is al lang bekend dat een vloeistofstraal overgaat in een stroom druppeltjes op slechts enkele centimeters van de bron van de straal, "zei co-auteur en USU universitair hoofddocent Tadd Truscott. "Dit betekent dat wanneer gewone dagelijkse jets een plas water raken, zoals water uit een kraan in een gootsteen, of een stroom urine die in een toilet valt - de druppelstromen creëren holtes die lijken op die we aan het bestuderen zijn in het Splash Lab."

Het begrijpen van de nuances van spattypes kan leiden tot apparaten die terugspatten verminderen en schonere omgevingen bieden.

In industrie, een grondiger begrip van dit nooit eerder verklaarde aspect van vloeistofdynamica zou ook kunnen leiden tot vooruitgang in de productie van chemicaliën en farmaceutische producten. Speirs zegt dat de bevindingen vooral nuttig zijn voor het ontwikkelen van veiligere en efficiëntere processen waarbij terugspatten een punt van zorg is.