Una tecnica Analog macroscopica per studiare i processi molecolari idrodinamici in denso gas e liquidi

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di studiare i processi idrodinamici su scala molecolare nei liquidi utilizzando una tecnica analogica che misura la dinamica delle particelle singole e collettive in cumuli di grano vibrati. Il vantaggio principale di questa tecnica è che fornisce microgusci inversi accessibili sperimentalmente per osservare direttamente dinamiche complesse su scala molecolare. Poiché questa tecnica è fortemente accoppiata nella meccanica statistica dei sistemi di particelle interagenti, apre una porta per l'indagine sperimentale nelle questioni fondamentali in questo campo.

Questa tecnica può essere applicata anche per studiare la meccanica statistica di sistemi di particelle macroscopiche interagenti, come i mucchi di grano vibranti che stiamo studiando. In generale, gli individui che utilizzano questa tecnica avranno difficoltà ad apprendere gli elementi della meccanica statistica dell'equilibrio e del non equilibrio necessari per interpretare le osservazioni sperimentali nella progettazione degli esperimenti. La dimostrazione visiva di questa tecnica è fondamentale poiché estende la velocimetria di imaging delle particelle, normalmente utilizzata per misurare il movimento delle particelle su scala micron rispetto al movimento dei grani su scala centimetrica.

L'esperimento utilizza questo sistema vibratorio. È costituito da una tazza anulare in poliuretano fissata a un motore sbilanciato a velocità singola per generare vibrazioni. Questi sono fissati a una base appesantita e separati da un gruppo di molle.

Fissare il gruppo ciotola al suo supporto con ganci in gomma. All'interno della ciotola, collegare un accelerometro triassiale. Questo è collegato a un segnale del sensore su un tavolo lontano dal sistema vibrante.

Successivamente, lavora con il supporto scelto per l'esperimento. In questo caso, utilizzare un mezzo di lucidatura in ceramica a taglio dritto triangolare con lunghezze laterali uguali. Aggiungere il supporto alla ciotola vibrante Vicino alla ciotola, avere una soluzione di acqua e composto di finitura pronta per bagnare il supporto.

Inoltre, è possibile installare una pompa peristaltica per spostare il fluido nella tazza vibrante. Far passare un tubo di plastica dalla pompa alla parte superiore della ciotola. Impostare la velocità della pompa ma non avviare il flusso.

Per l'imaging, configurare una telecamera ad alta velocità. Scegliere un obiettivo appropriato per l'integrazione e la risoluzione della superficie desiderate. Sostenere la telecamera su una struttura isolata dal sistema vibrante.

Quando si monta la telecamera, la sua lunghezza deve essere perpendicolare alla superficie aperta del supporto e 550 millimetri sopra di essa. Quindi, collega la fotocamera all'alimentatore, a un'antenna GPS e al computer. Sul computer, avviare il software della fotocamera e selezionare la fotocamera.

Visualizza il campo visivo della telecamera in tempo reale con il software. Durante la configurazione, utilizzare una luce intensa per illuminare la regione di test. Il campo visivo scelto deve essere illuminato in modo uniforme.

Quindi, utilizzare il software della fotocamera per ingrandire digitalmente fino a un ingrandimento di 500 volte. Sulla fotocamera, regolare l'anello di messa a fuoco dell'obiettivo. L'obiettivo è quello di ottenere la migliore messa a fuoco ottica per la raccolta dei dati.

Quindi riportare lo zoom digitale a nessun ingrandimento. Continuare impostando la velocità di acquisizione della fotocamera. Prima di scattare immagini, posizionare una scala rigata nel campo visivo.

Usa la fotocamera per registrarne una singola immagine. Salvare l'immagine come file TIFF prima di eliminarla dalla fotocamera. Una volta che la fotocamera è pronta, preparati ad avviare la ciotola vibrante.

Prendi 150 millilitri di soluzione composta di finitura dal contenitore. Portare i 150 millilitri nella ciotola vibrante e distribuire la soluzione in modo uniforme per fornire la bagnatura iniziale del fluido. Quindi, posizionare il grande contenitore di composto sul pavimento vicino alla pompa peristaltica.

Collegare un tubo flessibile dalla pompa al contenitore prima di attivare la pompa. A questo punto, avvia la ciotola vibrante e attendi almeno un minuto. Con il flusso in stato stazionario, attivare la telecamera per registrare l'azione nel campo visivo per il tempo di esecuzione scelto.

Questi fotogrammi registrati sono stati trasformati in un video. Quando i dati vengono raccolti, arrestare il sistema vibrante. Quindi arrestare la pompa peristaltica.

Per l'elaborazione, salvare le immagini acquisite come file TIFF sul computer e convertirle in scala di grigi. Quindi iniziare a lavorare nell'immagine delle particelle dell'ambiente software di velocimetria. Vai su File e da lì su Importa, quindi su Importa immagini.

Nella finestra di dialogo Importazione guidata, selezionare Fotogramma singolo, quindi Aggiungi immagini. Ora seleziona l'immagine di calibrazione per aggiungerla alle immagini da importare. Fai di nuovo clic su Aggiungi immagini, quindi evidenzia tutte le immagini di dati per selezionarle per l'importazione.

Continuare facendo clic su Avanti. Nella schermata seguente, inserisci le impostazioni della fotocamera, includi la frequenza dei fotogrammi e il passo dei pixel. Una volta immessi, fare clic su Avanti e quindi su Fine.

Ora vai all'elenco dei contenuti. L'immagine di calibrazione dovrebbe essere la prima. Fare clic con il pulsante destro del mouse sulla seconda immagine, selezionare Dividi ensemble da qui per creare due set di immagini.

Prendi il set di immagini con solo l'immagine di calibrazione e rilascialo nella posizione etichettata Nuova calibrazione. Quindi, fare clic con il pulsante destro del mouse sul set di immagini di calibrazione e selezionare Misura fattore di scala. L'immagine di calibrazione apparirà sullo schermo.

Nell'immagine, posizionate l'indicatore A sul righello dell'immagine finale. Quindi posiziona il marcatore B in un'altra posizione sul righello. Vai alla casella di testo Distanza assoluta e inserisci la distanza tra i marcatori in base al righello.

Fare clic su OK per salvare le impostazioni e continuare. Selezionare ora il set di immagini importato senza l'immagine di calibrazione. Spostati per fare clic su Analizza.

Seleziona Crea doppia cornice. Quindi scegli di creare coppie di immagini dalle opzioni di stile. Per definire l'area di interrogazione, aprire qualsiasi immagine non di calibrazione.

Fare clic con il pulsante destro del mouse sull'immagine e selezionare Densità particelle. Nella finestra di dialogo che appare, ci sarà una vista ingrandita di un'area di sonda. Fare clic sulla scheda Impostazioni e iniziare a modificare l'area delle dimensioni della sonda.

L'obiettivo è quello di avere costantemente un minimo di tre particelle nell'area della sonda. Annotare le dimensioni dell'area della sonda per un uso successivo. Tornare ad Analizza e scegliere il metodo Correlazione adattiva.

Fare clic su OK. Vai alla scheda dell'area degli interrogatori e fai clic su di essa. Lì, seleziona l'area di interrogazione precedentemente determinata che consente di identificare tre o più particelle. Fare clic su OK nella finestra di dialogo Correlazione adattiva per eseguire l'analisi.

Man mano che l'analisi procede, ispezionare visivamente i primi campi di velocità. Questo è un esempio di un campo vettoriale sovradimensionato su un'immagine in scala di grigi del supporto. In questo caso, le lunghezze e le direzioni dei vettori non sembrano coerenti o ragionevoli.

Ispeziona visivamente le mappe vettoriali mentre vengono prodotte per assicurarti che i risultati siano realistici. Se i risultati non sono soddisfacenti, interrompere il processo e modificare gli input definiti dall'utente, ad esempio l'area di interrogazione, quindi riavviare l'analisi. Questo è un esempio di campo vettoriale soddisfacente.

Ancora una volta, sovrapposto all'immagine in scala di grigi. Al termine dell'analisi, verrà creato un campo vettoriale che copre il campo visivo per ogni coppia di immagini del set. I dati di velocimetria dell'immagine delle particelle consentono di adattare la distribuzione della velocità in un punto del sistema alla distribuzione di Maxwell Boltzmann.

L'immagine è della grana utilizzata nell'esperimento. La barra rossa rappresenta un centimetro. I dati in blu rappresentano un istogramma normalizzato delle velocità di granitura peculiari orizzontali misurate.

I dati su molti tipi di particelle sono coerenti con la dinamica hamiltoniana senza dissipazione, le energie potenziali interparticellari indipendenti dalla velocità e le energie cinetiche indipendenti dal potenziale. Inoltre, forniscono prove di equilibrio meccanico macroscopico locale. La funzione di autocorrelazione della velocità per i singoli grani è una funzione del numero caratteristico di collisioni di grani che può essere estratta anche dai dati di velocimetria.

La dinamica del singolo grano imita qualitativamente quella prevista nei liquidi molecolari e nei gas densi. Questi spettri sono determinati dalla velocimetria dell'immagine delle particelle in misure simultanee dell'accelerazione del contenitore. Le onde acustiche di risonanza nel sistema di contenitori per mucchi di cereali coincidono con le modalità acustiche di risonanza nel contenitore vuoto.

I modi acustici negli spettri della peculiare velocità del fluido locale non sono evidenti a causa delle limitazioni dell'esperimento. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nell'idrodinamica molecolare dei liquidi, come ad esempio il modo in cui il flusso di fluidi prevedibile e osservabile emerge dalla dinamica imprevedibile dello stato liquido delle molecole. Una volta padroneggiata, la parte sperimentale di questa procedura può essere eseguita in meno di un'ora.

L'elaborazione PIV e l'analisi dei dati possono richiedere da un'ora a un paio di giorni a seconda del sistema di elaborazione dei dati. E' importante riconoscere che per collegare le osservazioni effettuate nei sistemi a grani vibrati all'idrodinamica molecolare, devono essere appresi elementi di meccanica statistica dell'equilibrio e del non equilibrio. A seguito di questo sviluppo, questa tecnica è stata utilizzata per convalidare sperimentalmente simulazioni fluidodinamiche di flussi di grano guidati da vibrazioni, nonché per testare le viscosità dei fluidi dei cereali rispetto a quelle previste dalla meccanica statistica di non equilibrio.

Dopo aver visto questo video, dovresti avere una comprensione ragionevole di come configurare un sistema PIV per misurare i sistemi a grana vibrante e in secondo luogo come utilizzare queste misurazioni per studiare i sistemi idrodinamici molecolari.