In een nieuwe studie gepubliceerd in Physical Review Letters onderzoeken wetenschappers hoe kleine waterstralen stabiele periodieke oscillaties op een vaste schijf kunnen creëren, waardoor een verband wordt blootgelegd tussen deze bewegingen en de golven die ze genereren en inzichten worden verkregen in het dynamische samenspel van vloeistofgedrag.

Een hydraulische sprong is een fenomeen dat optreedt wanneer een snelstromende vloeistof abrupt een langzamer stromend of stilstaand gebied tegenkomt. Deze plotselinge overgang resulteert in een verandering in de kenmerken van de stroming, waardoor een zichtbare sprong of stijging in de hoogte van de vloeistof ontstaat.

In dit proces wordt de kinetische energie van de snelstromende vloeistof omgezet in potentiële energie, wat leidt tot veranderingen in snelheid en stroomdiepte. Dit fenomeen wordt vaak waargenomen in verschillende omgevingen, zoals wanneer een vloeistofstraal een oppervlak raakt, bijvoorbeeld in rivieren of stroomafwaarts van dammen.

Nu hebben onderzoekers uit Frankrijk een scenario onderzocht waarin een cirkelvormige hydraulische sprong stabiele periodieke oscillaties op een vaste schijf ondergaat.

Hoofdauteur Aurélien Goerlinger legde de motivatie van het team achter het onderzoek uit en zei tegen Phys.org:"De watersprong is een alomtegenwoordig fenomeen dat eenvoudig lijkt. Het is echter contra-intuïtief omdat de natuur de voorkeur geeft aan vloeiende overgangen boven abrupte overgangen.

"Als gevolg hiervan is de hydraulische sprong moeilijk te modelleren, ondanks dat deze al sinds de tijd van Da Vinci wordt bestudeerd. Omdat veel fundamentele aspecten nog moeten worden begrepen of zelfs ontdekt, blijft de hydraulische sprong een actief onderzoeksgebied voor ons team."

Cirkelvormige hydraulische sprongen en waterstralen

De experimentele opstelling in het onderzoek omvatte het genereren van cirkelvormige hydraulische sprongen op een vaste schijf met behulp van een submillimeter waterstraal.

De onderzoekers startten een submillimeter waterstraal, met een binnendiameter van 0,84 mm, gericht op een plexiglasschijf met een oppervlak met een hoek van 90 graden, 1 cm onder het inslagpunt.

Dit proces resulteerde in de vorming van een cirkelvormig patroon van discontinuïteit waarbij de vloeistof een dunne film rond het inslagpunt vormde. De dunne film werd plotseling dikker op een bepaalde radiale afstand, waardoor de karakteristieke cirkelvorm van de watersprong ontstond.

Om dit fenomeen te helpen visualiseren, gaf Goerlinger een analogie door te zeggen:"Wanneer iemand de kraan in zijn keuken opent en naar de bodem van de gootsteen kijkt, vlakbij de impact van de vloeistofstraal, kunnen we een ruwweg cirkelvormige vloeistofwand waarnemen die twee afzonderlijke gebieden scheidt." .

"Het binnenste gebied, vlakbij de jet, is ondiep maar de stroming is snel, terwijl het buitenste gebied veel dieper is, maar de stroming ook veel langzamer is. Deze vloeistofmuur wordt een cirkelvormige watersprong genoemd."

De onderzoekers varieerden vervolgens experimentele parameters, waaronder de stroomsnelheid (2 tot 3 ml/s) en de schijfradius (1 tot 6 cm). Ze observeerden verschillende gedragingen op basis van deze parameters, zoals stationaire sprongen, voorbijgaande toestanden met oscillaties, bistabiele toestanden met periodieke oscillaties en systematische stabiele periodieke oscillaties.

Uit de analyse bleek dat de oscillatieperiode niet afhankelijk was van de stroomsnelheid, maar een lineaire afhankelijkheid vertoonde van de schijfradius.

Interessant genoeg vertoonden de datapunten voor schijfstralen groter dan 5 cm twee duidelijke lineaire trends met verschillende hellingen, wat wijst op twee verschillende oscillatiemodi, die de onderzoekers fundamentele en harmonische modi noemen.

Interactie tussen hydraulische sprongen en zwaartekrachtgolven

De onderzoekers ontwikkelden een theoretisch model om de waargenomen stabiele spontane oscillaties te verklaren, wat suggereert dat dit voortkomt uit de interactie tussen de hydraulische sprong en zwaartekrachtgolven aan het oppervlak die in de schijfholte worden gevormd.

Zwaartekrachtgolven aan het oppervlak planten zich voort langs het oppervlak van de vloeistof en worden gereflecteerd aan de rand van de cirkelvormige watersprong. Deze reflectie draagt ​​bij aan het ontstaan ​​en in stand houden van de oscillaties. Bovendien wordt gezegd dat deze golven worden versterkt wanneer ze op één lijn liggen met een van de schijfholtemodi.

Opmerkelijk genoeg verklaart het theoretische model van de onderzoekers niet alleen de waargenomen oscillaties, maar biedt het ook voorspellende mogelijkheden. Het anticipeerde op de koppeling van verre jets om oscillaties in tegengestelde fasen te veroorzaken, een fenomeen dat werd bevestigd door experimentele observatie.

In praktische termen betekent dit dat de ritmische eb en vloed van de ene waterstraal de oscillaties van de andere kan beïnvloeden, waardoor een gesynchroniseerde dans ontstaat waarbij de pieken en dalen van de ene straal omgekeerd overeenkomen met die van de andere.

Goerlinger benadrukte het belang van hun werk:‘Ondanks uitgebreid onderzoek naar dit fenomeen is gebleken dat de cirkelvormige watersprong in de meeste gevallen stationair blijft. Wij zijn echter de eerste die stabiele spontane oscillaties van de watersprong melden die optreden terwijl de inslaande straalstroom is stabiel. Bovendien zijn we erin geslaagd een model te bouwen dat het gedrag van deze oscillaties voorspelt."

Potentiële toepassingen en toekomstig werk

Door met succes de stabiele periodieke oscillaties te modelleren, draagt ​​het theoretische raamwerk bij aan een dieper begrip van de complexe dynamiek die betrokken is bij hydraulische sprongen.

Dit inzicht kan implicaties hebben voor verschillende vakgebieden, waaronder de vloeistofdynamica en aanverwante technische toepassingen.

"Hydraulische sprongen zijn van groot belang in gebieden waar koeling en reiniging van oppervlakken nodig zijn. Het kan ook zijn interesse vinden in hogesnelheids- of 3D-printers", legt Goerlinger uit.

Goerlinger is van mening dat ze met dit onderzoek nog maar het begin aan het verkennen zijn en legde uit dat ze van plan zijn het onderzoek op dit gebied voort te zetten.

"We hebben de rijke fysica van dit nieuwe fenomeen slechts gedeeltelijk onderzocht. De effecten van veel experimentele parameters moeten nog worden onderzocht, zoals vloeistofeigenschappen of substraatgeometrie.

"Bovendien maakt ons werk de weg vrij voor de studie van de interacties tussen meerdere oscillerende sprongen en de interacties tussen hydraulische sprongen en golven in het algemeen", concludeerde hij.

Meer informatie: Aurélien Goerlinger et al, Oscillaties en holtemodi in de circulaire hydraulische sprong, Fysieke recensiebrieven (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.194001

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

© 2023 Science X Netwerk