Free-falling 분야 변경 및 충돌 표면 상태와 깊은 액체 수영장에의 영향

요약

이 프로토콜에서는 물 항목 실험 free-falling 분야에 대 한 기본 실험 구성을 보여 줍니다. 꿰 뚫을 수 직물 표면에 액체의 변경, 화학적으로 비 일로 분야의 준비에 대 한 방법 및 스플래시 시각화 및 데이터 추출에 대 한 단계는 설명 합니다.

초록

깨끗 한 물에 분야의 수직 충격 구멍 형성을 특성화 하는 수많은 물 항목 조사의 주제, 스플래시 크라운 승천 및 워싱턴 제트 안정성. 여기, 우리는 부드러운 free-falling 다양 한 습윤, 질량, 및 직경 영향의 구체 꿰 뚫을 수 얇은 직물 및 액체 계면 활성 제에 의해 수정 깊은 액체 수영장의 무료 표면 때 스플래시 역학 조사 하기 위한 실험 프로토콜을 설정 합니다. 물 항목 조사 복잡 한 유체 역학 공부에 대 한 액세스, 쉽게 조립 하 고 실행 된 실험을 제공 합니다. 선물이 여기 스플래쉬 높이, 흐름 분리 통계, 및 충돌 운동학, 및 우리의 접근을 재현 하는 경우 얻을 수 있는 대표적인 결과 특성화에 대 한 조정할 수 있는 프로토콜. 메서드 특성 시작 크기는 약 0.5 m 남아 때 적용 됩니다. 그러나,이 프로토콜 수 있습니다 큰 충돌 릴리스 높이 충격 속도 맞게는 결과 해군을 위해 잘 augurs 및 산업 응용 프로그램.

서론

깊은 액체 수영장¹ 솔리드 객체의 수직 충격에서 발생 하는 스플래시 역학의 특성은 탄도 미사일 물 항목 및 바다 표면^{2, 방문 등 군사, 해군 및 산업 응용 프로그램에 적용 3,,45}. 물 항목의 첫 번째 연구는 잘 한 세기 이상 전에 실시 했다^6,7. 여기, 우리는 분명 깊이 있는 프로토콜 및 물 항목 조사에 대 한 일관 된 결과 달성 하기 위한 유용한 설정 합니다. 올바른 실험 설계를 돕기 위해 메서드는 위생 조건의 유지 보수, 계면 조건의 변경, 크기가 없는 매개 변수 제어, 충돌의 화학 수정 및 스플래시 운동학의 시각화에 대 한 제공 됩니다.

정지 유체에 free-falling 친수성 분야의 수직 영향 낮은 속도⁸에서 공기 함정의 흔적을 보여줍니다. 우리는 액체 표면 위에 얇은 꿰 뚫을 수 직물의 배치 때문에 강제 흐름 분리¹구멍 형성 하면 찾을. 표면에 직물의 빈약한 금액 충분 한 레이어 링 약하게 튀는 극복 분야 유체 항목¹에서 드래그 하는 동안 웨버 상당수의 범위에 걸쳐 튀는 증폭 한다. 이 문서에서는, 우리는 프로토콜 친수성 분야의 물 항목에 물자 힘의 효과 설정 하기 위한 적합 한 설명.

구멍에서 소수 밝아진 형성 그들의 물-원하는대로 대응⁸에 비해 표면 위에 높은 기본 jet의 돌출 뒤 impactors 보여 개발된 시작 크라운의 승천. 여기, 우리는 화학적으로 친수성 분야의 표면 수정 통해 물 repellency를 달성 하기 위한 방법을 제시.

고속 카메라의 출현과 함께 시작 시각화 및 특성화 더 달성 되고있다. 그럼에도 불구 하 고, 필드에 설정 된 표준 전화 단일 카메라의 사용에 대 한 여행의 기본 축에 직각. 우리 머리 위 전망에 대 한 추가 고속 카메라의 사용 분야 파업 원하는 위치 판단하실 필요가 보여줍니다.

프로토콜

1. 구성 수직 영향에 대 한 실험

1. 크기 약 60 cm의 투명 한 물 탱크 채우기 x 30 cm x 36 c m (길이 무게 x x 깊이) 물 32 l 그림 1a에서 보듯이 기지 꼭대기에 앉아 있다, 액체는 컨테이너 안에 수직 미터 통치자 ('비주얼 규모')를 탑재.
   참고: 깊이 너비는 탱크의 20 배 벽 효과 무시할 수⁹를 실험에 사용 하는 가장 큰 분야의 지름 보다 큰 해야 합니다. 그는 여기서 설명 하는 보다 큰 항목 속도 더 탱크 깊이 필요 합니다. 드롭 높이 소프트웨어를 추적의 보정을 확인 하는 데 사용 하는 시각적 규모 섹션 7에에서 설명 되어 있습니다.
2. 장소 크기를 확대 하는 역할을 수 있는 물 아래 추가 미터 통치자. 이 시각적 규모 추적 소프트웨어 수 중 측정을 위한 보정에 사용 됩니다.
3. 액체 위에 구체를 일시 중단 하 고 그림 1a에서 보듯이 접선 가속도, 충돌 위치에 중력 보다 큰 달성 하기 위해 아래쪽으로 회전 힌지 플랫폼 ('분리 장치')를 생성 합니다. 급속 한 회전 힌지 플랫폼 신축성 밴드를 사용 하 여 지원 구성의 중심을 연결 하 여 이루어집니다. 결과 지원 되지 않는 및 비 회전 충돌.
   참고: 플랫폼은 3D 프린터와 함께 쉽게 조작 된다.
4. 충격 시험, 경첩된 플랫폼의 기본 유체 위에 분야의 배치에 대 한 수평 위치에 90 ° 회전을 엄지손가락 장소.
   참고: 철회 엄지 플랫폼의 기지에서 해제 될 때 트리거됩니다.
5. 그런 장치는 다양 한 높이를 조정할 수 있습니다 말 대 꾸 서 서 릴리스 메커니즘을 부착.
6. 장소는 말 대 꾸를 릴리스 메커니즘 시각적 규모와 같은 깊이 평면 내 탱크 옆에 서. 전복을 방지 하기 위해 필요에 따라 토르 스탠드 베이스에 무게를 추가 합니다.
7. 릴리스 메커니즘 최대 원하는 실험 드롭 높이를 조정 합니다. 이것은 최적의 스플래시 시각화 섹션 6에 필요한 하 고 관심의 시작 특성은 항상 카메라의 보기 내 보장.
8. 빛 스플래시 영역에 아래를 내려다 보면서 카메라 위에 탑재 되는 멀티 LED 빛 참을 팔을 연결 합니다. 주변광 혼자 높은 프레임 속도로 현장 조명 부족 하는 데 필요한 시작 운동학을 추출.
   참고: 하나 결코 너무 많은 빛을 가질 수 있습니다.
9. 그림 2에서 보듯이 스플래시와 캐비티 시각화를 돕기 위해 물 탱크 뒤 검은 화면을 배치 합니다.
10. 물 탱크 및 재포장을 방지 하기 위해 무게와 접사의 하단에 폐쇄 셀 스폰지 같은 유리 보호 충격 흡수를 놓습니다.
    참고: 탱크에 액체의 높이 되어야 합니다 같은 영역¹⁰에서 공기 구멍 핀치 전에 충격 흡수와 작용 하지 않습니다.

2. 크기가 없는 매개 변수를 제어

1. 다양 한 대 중 및 직경의 부드러운 분야와 함께 실험을 실시 합니다. 이 polyoxymethylene (예를 들어, Delrin) 동전 만들기 볼 특히 잘 작동 하 고 금형 부분 라인을가지고. 각각 대 중 및 직경 분석 밸런스와 버 니 어 캘리퍼스를 측정 합니다.
2. 높이 H 영향 속도 생성 하의 범위 실험을 수행 어디 m/s² 는 중력 때문에 가속도. 카메라 프레임 내에서 시각적 규모와 높이 측정 합니다.
   참고: 사용 하 여 비디오 분석 도구에서 자동 추적 기능 섹션 7에에서 설명 된 대로 충격 속도 측정 하.
3. 물과 적당 한 계면 활성 제 (예를 들어, 글 리세 린 또는 soap) 표면 장력을 수정 하는 액체 혼합물으로 실험을 실시 합니다. 표면 뿐만으로 표면 장력을 측정 합니다.
4. 레이놀즈 번호 계산 와 베버 번호 , D 는 구체 직경 ρ 는 유체의 밀도, μ 는 액체와 액체의 표면 장력 σ 동적 점도.

3. 위생 실험 조건 유지

1. 산업 니트 릴 장갑 착용 하는 동안 실험을 실시 하 고 소 각된 국자와 물 탱크에서 분야를 검색 합니다.
   주의: 피부는 자연스럽 게 impactors의 습윤에 영향을 미칠 수 있는 유체 조건 더러운 오일을 생산 합니다.
2. 99% 이소프로필 알콜을 가진 분야를 청소 하 고 1 분 사이 불순물의 영향을 배제 하는 재판에 대 한 건조 허용.
3. 영향 동안 분리 직물을 사용 하는 경우 스크랩을 수동으로 수집 수 없습니다 경우 모든 재판 후 탱크에 물을 교체 합니다.
4. 실험의 끝에, 탱크를 비어 하 고 건조 그것을 두고.
5. 실험 하기 전에 모든 불순물을 제거 하는 물 탱크 청소.

4. 꿰 뚫을 수 직물의 표면 레이어 링

1. 광장으로 직물을 분리 또는 plies 영향 시험 준비에 라운드. 버 니 어 캘리퍼스를 사용 하 여 직물의 압축된 두께 얻기 위해.
   참고: 원단 두께 젖은 때 변경 됩니다.
2. 부드럽게 건조 직물 액체 수영장의 표면 위에 놓습니다. plies 충돌 릴리스 전에 하강 시작 및 충돌 직후 직물을 대체 하지 않는 확인 하십시오.
3. 소 각된 국자를 사용 하 여 힌지 플랫폼 아래 직물 분야를 발표 하기 전에 위치.
4. (선택 사항) 소재 특성에 대 한 직물 샘플을 사용 하 여 다음 테스트를 수행 합니다.
   1. 인장 테스트 인장 시험기를 사용 하 여 샘플의 탄성 계수를 결정 하기 위해 수행 합니다.
   2. 디지털 현미경을 사용 하 여 직물의 현미경 보기를 가져오고 섬유 길이 이미징 도구를 사용 하 여 결정.

5. 화학적으로 소수 분야 준비

1. 스프레이 소수 베이스 코트 구 표면에서 대략 15-30 cm. 표면 젖어 하지 마십시오. 추가적인 코팅을 추가 하기 전에 1\u20122 분 동안 건조 하자. 2 더 많은 기본 코트를 적용 합니다. 최고 외 투를 적용 하기 전에 30 분 동안 건조 하실 수 있습니다.
   참고: 추가 표면 수 제품 제조 업체에서 권장 사항에 따라 달라질 수 있습니다.
2. 스프레이 소수 탑 코트 표면에서 대략 15-30 cm. 표면 젖어 하지 마십시오. 추가적인 코팅을 추가 하기 전에 1-2 분 동안 건조 하자. 최고 외 투의 2 개 또는 3 개의 더 코팅을 적용. 30 분 사용 및 전체 사용에 대 한 12 h 동안 건조를 허용 합니다.
   참고: 추가 표면 코트의 수 제품 제조 업체에서 권장 사항에 따라 달라질 수 있습니다.
3. 약 20 시련 후 소수 성 코팅 과도 한 처리 때문에 손상 된다. 99% 이소프로필을 가진 코팅을 제거 하 고 5.1 및 5.2 단계를 반복 합니다.

6. 동기화 시작 시각화에 대 한 카메라

1. 영향 축에 수직인와 액체의 표면에 선 적당 한 렌즈와 고속 카메라를 배치 합니다.
   참고: 55 m m 프라임 렌즈는 좋은 출발점을 제공합니다.
2. 직물 사용 되는, 그림 1b에서 보이는 것과 같이, 영향의 하향식 보기를 제공 하는 실험을 추가 고속 카메라를 추가 합니다.
3. 다음 단계를 사용 하 여 컴퓨터에 여러 대의 카메라를 동기화 합니다.
   1. BNC 케이블을 사용 하 여 추가 카메라의 두 입력된 단자를 수평 카메라의 두 출력 단자를 연결 합니다.
   2. 수평 카메라를 트리거 스위치를 연결 합니다.
   3. 컴퓨터에 연결 하는 네트워크에서 라우터 두 카메라에서 이더넷 케이블을 꽂습니다.
      참고: 라우터의 부재에서 컴퓨터를 분리 하는 카메라의 이더넷 케이블 연결.
4. 비디오 수집 소프트웨어에서 다음과 같은 설정으로 카메라를 구성 합니다. 최소 1000 fps의 프레임 속도 설정, 원하는 해상도로 화면 해상도 설정 합니다. 1 프레임 당 초 셔터 속도 설정 하 고 트리거 모드 종료를 설정 합니다.
5. 최대 릴리스 높이에서 되도록 워싱턴 제트기 비디오 프레임 내 테스트 시험의 일련을 수행 합니다.
6. 원하는 시각화 품질 달성 될 때까지 그에 따라 카메라 위치 및 초점 조정 합니다.
7. 녹음 후 적합 한 비디오 분석 도구를 사용 하 여 비디오에서 운동학 및 형상 측정을 추출 합니다. 추적기, 오픈 소스 분석 도구 또는 비교 기능의 소프트웨어를 사용 합니다.

7. 디지털화 추적 소프트웨어와 영향 운동학

1. 교정 막대기 추적기 도구 상자에서 선택 하 고 일치 시각적 규모 (그림 2a), 가능한 한 길게 스틱 만들기.
2. 교정 막대기 를 클릭 하 고 지팡이 시각적 규모의 길이를 배율 값을 설정 합니다. 즉, 교정 막대기 시각적 규모에 1 cm에 걸쳐 있는 경우는 스케일링 값을 1로 설정 합니다.
   참고:이 소프트웨어에서 측정 센티미터의 순서는 보장 합니다.
3. 비디오 재생을 시작 하 고 중지 를 클릭 하 여 전환 하 고 원하는 프레임 비디오 설정 합니다.
4. 스틱 측정 추적기 도구 상자에서 선택한 그림 2b,c에서 보듯이 스플래시 크라운 높이 k, 구멍 폭 b, 구멍 깊이 l및 워싱턴 제트 높이 h, 추출.
   참고: 측정 스틱 양 끝 조정 가능한 이며 다른 도구 상자 선택과 동시에 사용할 수 있습니다.
5. 끄 는 추적기 도구 상자에서 선택 하 고 그림 2b에서 보듯이, 충돌에 관하여 액체의 분리 각도 q 를 측정. 끄는 양쪽 끝에 조정 하 고 다른 도구 상자 선택과 동시에 사용할 수 있습니다.
6. 임시 위치 및 속도 데이터를 기록 하는 소프트웨어에서 자동 추적 기능을 선택 합니다. 때 추적 되는 비디오를 사용 하 여 수동 추적 선명도 얻을 때까지 선명도의 부족으로 인해 중단 및 자동 추적 재개 됩니다.

결과

이 프로토콜 허용 범위의 베버 숫자 이상의 수직 충격에서 발생 하는 워싱턴 제트기의 준수에 대 한 설립 그림 2 c에서 보듯이. 이러한 결과 왓슨 외.¹여기에 소개 하는 데이터를 생성 하는 데 사용 하는 정확한 실험 조건에 대 한 참조 될 수 있습니다 게시 됩니다. 우리는 무료 액체 표면 위의 돌기 하는 액체의 좁은 길쭉한 영화에 집중 한다. 그림 3 우리는 직물의 빈약한 양을 증폭 튀는 충분 한 레이어 링 약하게 다시 시작 하는 동안 표시 됩니다. 결과 비-dimensionalized 그림 3b에서 보듯이 구체 직경 D 를 사용 하 여....

토론

이 프로토콜 실험 설계 및 깊은 액체 수영장에 free-falling 분야의 조사에 대 한 모범 사례에 설명합니다. 우리는 수직에 미치는 영향에 대 한 실험을 구성 하는 데 필요한 단계를 강조 표시 하 여 시작 합니다. 벽 효과 무시할 수⁹, 그리고 기구학^{12,13,14 추출에 대 한 적당 한 시각 규모는 충분히 큰 스플래시 영역 사용 하 여 이상적인 시작 환경을 만드는 것이 중요 하다 ,15,16,17,18,19}

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
3D 프린터	FlashForge	Creator Pro	이중 압출
알코올	Swan	M314	99% 이소프로필
BNC 케이블	Thorlabs	2249-C-24
캘리퍼스	언제든지 도구	203185다이얼
카메라	Photron	Mini AX-100	16GB Ram
컴퓨터	Dell	Windows 7 Pro
패브릭	조지아 퍼시픽	19378	화장지
패브릭	크리넥	10036000478478	티슈
레이저 커터	글로우포지	베이직
라이트	GS Vitec	LT-V9-15	멀티 LED
현미경	Keyence	VHX-900F	디지털
레토르트 스탠드	VWR	VWRF08530.083
라우터	ASUS	RT-N12	오프 네트워크
눈금자	Westcott	10432	미터 눈금자
소프트웨어	오픈 소스	추적기	비디오 분석
소프트웨어	Photron	Fastcam 뷰어	비디오 녹화
구	아마존	8DELSET	Delrin
스프레이	Rust-Oleum	274232	발수
계면 활성제	Dawn	37000973782	Liquid Soap
계면 활성제	USP 코셔	5 갤런	글리세린
인장 시험기	MTS	모델 42
트리거 스위치	맞춤형
물 탱크	Mr. Aqua	MA-730	비 강화 유리

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