Een team van onderzoekers van de Université Côte d'Azur en de Universiteit van Hokkaido heeft onlangs een onderzoek uitgevoerd naar de spontane vorming van spiraalpatronen die worden waargenomen op het naar beneden gerichte vrije oppervlak van een horizontale vloeistoffilm. Het door hen onderzochte oppervlak brengt Rayleigh-Taylor-instabiliteit met zich mee, die het grensvlak tussen twee vloeistoffen met verschillende dichtheden destabiliseert wanneer de zwaardere vloeistof de lichtere naar beneden duwt.

De onderzoekers constateerden dat de vloeistofafvoer als gevolg van deze instabiliteit kan optreden in de vorm van zich voortplantende vloeistofgordijnen, die worden gegenereerd aan de cirkelvormige omtrek van de film en verschijnen als naar binnen draaiende spiraalarmen. Met behulp van een fenomenologisch geconstrueerde cellulaire automaat, ze toonden aan dat deze patronen voortkomen uit de fasevergrendeling, wat leidt tot een intermitterende afvoer van vloeistof met een constante stroomsnelheid over het gehele filmoppervlak.

"Ongeveer 15 jaar geleden, Dr. Laurent Limat en zijn collega's bestudeerden spatio-temporele dynamiek van vloeistofkolommen die vrij langs de rand van een cirkelvormige schaal bewegen, "Christian Mathis, een van de onderzoekers die het huidige onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org . "Geïnspireerd door hun werk, we begonnen met de studie van een tweedimensionaal samenstel van vloeistofkolommen, in de hoop alle secundaire instabiliteiten te beschrijven die verband houden met verlies van symmetrie. We hebben net zo'n instabiliteit gevonden, maar we ontdekten dat we voor een vrij eenvoudig systeem stonden dat extreem rijk gedrag vertoonde."

In hun studie hebben Mathis en zijn collega's merkten op dat het verhogen van de stroomsnelheid aanleiding gaf tot een reeks complexe patronen, inclusief een regelmatig hexagonaal rooster van druppels, een regelmatig hexagonaal rooster van kolommen, spatio-temporeel intermitterend gedrag van kolommen en, Tenslotte, vloeibare gordijnen die spiraalgolven vormen.

Het apparaat dat ze gebruikten is vrij eenvoudig, voornamelijk bestaande uit een halfgesloten cilindrisch vat, met siliconenolie die er continu in stroomt via een inlaat aan de bovenkant en een fijnmazig rooster aan de onderkant. Het vat bevat een constante hoeveelheid olie, bepaald door het evenwicht van een onderdruk in het vat en het gewicht van de olie.

Overtollige vloeistof in het vat lekt door het rooster en vormt daaronder een vloeistoffilm. Deze film destabiliseert op verschillende manieren, afhankelijk van het oliedebiet en de viscositeit. Binnen dit apparaat, alles is gemaakt van transparant PMMA, omdat dit een gemakkelijke observatie en nauwkeurige videometingen met aangepaste verlichting mogelijk maakt.

"Bij een voldoende hoog debiet, vloeibare gordijnen verschijnen, bewegen als golven en, uiteindelijk oprollen rond een middelpunt en roterende spiraalarmen vormen, Mathis legde uit. "We hebben de rotatiefrequentie van elke arm en van het hele patroon en de lengte van de armen gemeten. De belangrijkste observatie is de spontane vorming van spiralen door de rotatiesymmetrie van het systeem te doorbreken."

Spiraalpatronen zijn te vinden in veel systemen, zowel in laboratoriumexperimenten als in de natuur. De meeste van deze spiraalpatronen roteren, met de spiraalarmen in de richting van deze rotatie. Patronen die in de tegenovergestelde richting draaien, zijn vrij zeldzaam en worden antispiralen genoemd.

"We hebben aangetoond dat antispiraalpatronen kunnen worden geproduceerd in een eenvoudig vloeibaar systeem, waarvoor we alle heersende vergelijkingen kennen, "Harunori Yoshikawa, een andere onderzoeker die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org . "Diepgaand onderzoek van dit 'bekende' systeem zou inzicht verschaffen in zeldzame gevallen van antispiraalpatronen."

Het experiment uitgevoerd door Yoshikawa, Mathis en hun collega's kunnen de weg vrijmaken voor verder onderzoek naar de manifestatie van antispiraalpatronen. In aanvulling, hun studie zou een maatstaf kunnen zijn voor theorieën over patroonvorming.

"We richten ons nu op theoretische modellering, zoeken naar een geschikte modelvergelijking en het bereik van de betrokken parameters, "Zei Yoshikawa. "We hopen dat we in theorie de essentiële kenmerken van deze patroonvormingsprocessen zullen onthullen."

De onderzoekers onderzoeken momenteel ook andere patronen die in hun systeem worden waargenomen, aangezien de naar binnen draaiende spiralen slechts een van hun waarnemingen waren. Bijvoorbeeld, het druppelregime en een deel van het eigenaardige gedrag van de vloeistofkolommen moeten nog uitgebreid worden onderzocht. In de studie van Mathis, Yoshikawa en hun collega's, de dynamiek van de spiralen bleek gerelateerd te zijn aan de eigenschappen van de vloeibare film zelf, een bevinding die ze ook verder willen onderzoeken.

© 2019 Wetenschap X Netwerk