Magnetycznie indukowana wirująca niestabilność Rayleigha-Taylora

Ogólnym celem tego eksperymentu jest obserwacja wpływu rotacji na niestabilny grawitacyjnie układ składający się z gęstego płynu nałożonego na płyn o mniejszej gęstości. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania dotyczące dynamiki płynów, takie jak to, w jaki sposób stabilizujący efekt rotacji konkuruje i oddziałuje z destabilizującym efektem grawitacji. Główną cechą tej techniki jest możliwość stworzenia stabilnego, obrotowego, dwuwarstwowego systemu, a następnie użycia magnesu do manipulowania efektywnymi ciężarami każdej warstwy, wywołując niestabilność.

Jest to aparatura użyta w eksperymencie. Głównymi widocznymi elementami są obrotowa platforma dla eksperymentalnego zbiornika, miedziany cylinder, który go podtrzymuje, oraz magnes nadprzewodzący z otworem w temperaturze pokojowej. Cylinder opada do otworu magnesu i pola magnetycznego o natężeniu 1,8 tesli.

Ten schemat zawiera dodatkowe szczegóły układu. Obrót platformy jest wytwarzany przez silnik pozaosiowy, który obraca łożysko ślizgowe z kryzą w kształcie dziurki od klucza. Miedziany cylinder jest przymocowany do wału napędowego w kształcie klucza i opada pod własnym ciężarem po wyjęciu sworznia mocującego.

Kompletna konfiguracja obejmuje oświetlenie i zdalnie sterowaną kamerę do robienia zdjęć. Gdy zbiornik znajduje się na swoim miejscu na platformie, przesuń wał napędowy do najniższego położenia. Upewnij się, że kamera wideo będzie miała widok eksperymentu, który jest ostry i odpowiednio oświetlony.

Aby przygotować się do eksperymentu, umieść platformę i miedziany cylinder w ich najwyższej pozycji. Zablokuj cylinder na miejscu za pomocą kołka mocującego. Po ustawieniu wszystkiego innego wyjmij zbiornik, aby przygotować go do eksperymentu.

Na stole laboratoryjnym zacznij przygotowywać płyny do zbiornika. W przypadku gęstej warstwy zacznij od 250 mililitrów wody destylowanej o temperaturze pokojowej i dodaj do wody około 6,25 grama chlorku sodu. Składnikami lekkiej górnej warstwy jest 325 mililitrów wody destylowanej o temperaturze pokojowej wraz z chlorkiem manganu oraz czerwonymi i niebieskimi barwnikami do śledzenia wody.

Dodać niewielką ilość fluoresceiny sodowej, aby zakończyć przygotowanie. Oba płyny są teraz gotowe do eksperymentu. Uwarstwione płyny będą przechowywane w przezroczystym cylindrycznym pojemniku, który ma pokrywkę z lucytu, która może się w nim zmieścić.

Pokrywka posiada otwory upustowe, które umożliwiają przepływ płynu i powietrza. Oprócz pojemnika i płynów należy mieć gotową do użycia łódź wypornościową. Łódź flotacyjna składa się ze styrenowych ścian na gąbczastej podstawie.

Dno jego wnętrza powinno być wyłożone mocną bibułą. Łódź powinna być w stanie łatwo zmieścić się w zbiorniku eksperymentalnym bez dotykania boków. Kontynuuj kolejne kroki tylko wtedy, gdy będziesz gotowy do przeprowadzenia eksperymentu.

Zacznij od płynu o dużej gęstości i zacznij dodawać go do zbiornika. Zatrzymaj się, gdy zostanie dodane 300 mililitrów. Następnie przygotuj zbiornik wyrównawczy z zaciskiem i rurką na płyn o niskiej gęstości.

Zbiornik wyrównawczy powinien pomieścić co najmniej 350 mililitrów, a zacisk powinien umożliwiać kontrolę przepływu płynu. Kontynuuj, dodając płyn o niskiej gęstości do zbiornika wyrównawczego. Następnie zamontuj zbiornik wyrównawczy nad zbiornikiem eksperymentalnym, aby umożliwić uwolnienie płynu w pobliżu powierzchni płynu o dużej gęstości.

Umieść łódź flotacyjną na powierzchni płynu o dużej gęstości. Wyreguluj zacisk na zbiorniku wyrównawczym, aby dodać płyn o niskiej gęstości do łodzi flotacyjnej i dodawać około trzech mililitrów na minutę. Z czasem płyn o małej gęstości dyfunduje przez gąbkę, tworząc lekką warstwę płynu nad płynem o dużej gęstości.

Gdy łódź odchodzi od interfejsu, stopniowo zwiększaj natężenie przepływu. Kontynuuj napełnianie, aż zbiornik wyrównawczy zostanie opróżniony. Po całkowitym odsysaniu płynu powoli wyjmij łódź flotacyjną, aby zminimalizować kapanie i założyć pokrywę zbiornika eksperymentalnego.

Umieść pokrywkę na miejscu i zacznij opuszczać ją do górnej warstwy płynu. Zatrzymaj się, gdy głębokość każdej warstwy jest równa i nie ma uwięzionych pęcherzyków powietrza. Jeśli się powiedzie, będą dwie warstwy płynu o równej głębokości z ostrym interfejsem między nimi.

Na pokrywie lucytu pojawi się również warstwa płynu o niskiej gęstości. Przystąp szybko do przeprowadzenia eksperymentu i ostrożnie przenieś zbiornik do aparatu. Umieść eksperymentalny zbiornik na platformie, trzymając go z dala od magnesu.

Włącz silnik i powoli zwiększaj prędkość obrotową, zwiększając napięcie zasilania, aż do osiągnięcia żądanej prędkości. Po osiągnięciu żądanej prędkości obrotowej rozpocznij nagrywanie wideo i ustaw się w pozycji, w której należy wyjąć kołek mocujący. Gdy będziesz gotowy, wyjmij szpilkę i pozwól, aby zbiornik opadł w pole magnetyczne.

Obrazy te są migawkami interfejsu płynu dla czterech różnych prędkości obrotu. Każda kolumna odpowiada innemu czasowi i zwiększa się w krokach co pół sekundy. We wczesnych momentach, na przykład po upływie jednej sekundy, dla każdej prędkości obrotowej występuje zaburzenie interfejsu z dominującą skalą długości.

Wraz ze wzrostem szybkości rotacji zmniejsza się szerokość wężopodobnych struktur. Obrazy te pochodzą z serii eksperymentów o różnej lepkości płynu i stałym tempie rotacji. Każda kolumna odpowiada innemu czasowi.

Obserwowana skala długości niestabilności zwiększa się wraz ze wzrostem lepkości od niższych wartości do wyższych. Wykreślając dominującą długość fali radiowej w funkcji szybkości rotacji, można zaobserwować niższy próg skali niestabilności. W tych danych dla warstw płynów o przybliżonej lepkości wody, powyżej prędkości rotacji około czterech radianów na sekundę, dolny próg wynosi około sześciu milimetrów.

Po opanowaniu tę technikę można przeprowadzić w ciągu godziny, jeśli zostanie wykonana prawidłowo.