Wyporność i opór na zanurzonych ciałach

1. Wykonanie sekcji próbnej wtrysku gazu (patrz schemat i zdjęcie, rys. 2)

1. Wywierć otwór w dnie wysokiego, płaskościennego plastikowego pojemnika. Zainstaluj łącznik grodziowy przez ścianę przez ten otwór. Zamontuj złączkę redukcyjną do przyłącza zaciskowego rurki ~3.2 mm w wylocie złączki grodziowej. Będzie to port do wstrzykiwania pęcherzyków/kropel.
2. Włóż krótki (~1 cm) miękki gumowy przewód o średnicy 3.2 mm do złącza zaciskowego i dokręć nakrętkę mocującą. Za pomocą szpilki do szycia przebij cienki otwór przez gumowy sznurek. Będzie to zawór do wstrzykiwania pęcherzyków/kropelek do pojemnika z płynem.
3. Napełnij pojemnik gliceryną do poziomu ~25 cm. Wlewaj glicerynę powoli jako film po bocznej ściance pojemnika, aby zmniejszyć porywanie pęcherzyków w pojemniku. Odczekaj ~2 godziny, aby większe bąbelki wydostały się z pojemnika.
4. Zamontuj kamerę wideo na statywie przodem do pojemnika, tak jak górna część płynu view. Zamontuj jasne światło po drugiej stronie kontenera, przodem do kamery (podświetlenie). Włóż arkusz dyfuzora między światło a pojemnik, aby zapewnić równomierne oświetlenie.

2. Przeprowadzanie eksperymentów

1. Włóż linijkę lub płaski przedmiot o znanym rozmiarze do pojemnika z gliceryną, nad portem iniekcji, przodem do aparatu. Nagraj krótki film przedstawiający obiekt. Będzie to służyć skali do mapowania od rozmiaru bąbelka w px i prędkości narastania w px s^-1 odpowiednio do m i m s^-1.
2. Za pomocą strzykawki z cienką igłą (e.g., rozmiar 20). Wstrzyknąć pęcherzyki gazu o różnych rozmiarach przez gumowy zawór do cieczy. Użyj aparatu, aby nagrać filmy z bąbelkami unoszącymi się przez ciecz.
3. Wymieszaj barwnik spożywczy na bazie oleju z olejem roślinnym sojowym (lub innym olejem roślinnym o niskiej lepkości). Za pomocą strzykawki wstrzyknąć kolorowe kropelki oleju o różnej wielkości do pojemnika z gliceryną. Nagrywaj filmy z unoszącymi się kropelkami.

3. Analiza

1. Za pomocą oprogramowania, takiego jak odtwarzacz multimedialny VLC, wyeksportuj migawki obrazu z wideo linijki (krok 2.1). W oprogramowaniu do edycji obrazów zmierz odległość pikseli na znanej długości urządzenia. Współczynnik skalowania długości można następnie określić jako , gdzie L_m to fizyczna długość obiektu w metrach, a L_px to długość obiektu w pikselach na obrazie.
2. Dla każdego filmu z prędkością narastania pęcherzyków lub kropel wyodrębnij migawki obrazu, gdy bąbelki/kropelki wchodzą i wychodzą z okna widoku kamery. Zmierz średnicę pęcherzyków/kropel (poziomych) w oprogramowaniu do edycji obrazów (D_px). Zmierz średnie prędkości narastania (U_px) jako różnicę w pozycjach nosa pęcherzyków/kropel podzieloną przez czas, jaki upłynął między początkowymi i końcowymi migawkami obrazu. Przekonwertuj te wartości pikseli na wartości fizyczne jako: D = sD_px i U = sUsU{{}}_px.
3. Oceń liczby Reynoldsa bąbelków i kropel () i współczynniki oporu (równanie 2). Wykreśl te wartości i porównaj z teoretycznymi wynikami z równania 3. Właściwości płynu w temperaturze pokojowej (22°C) wynoszą:
   • Gliceryna: ρ_f = 1300 kg m^-3, μ_f = 3,7 kg m^-1 s^-1
   • Powietrze: ρ_b = 1,19 kg m^-3
   • Olej sojowy: ρ_b = 920 kg m^-3

Rysunek 2: (a) Schemat i (b) zdjęcie obiektu doświadczalnego.