Name: Uderzenia swobodnie spadających kul w głębokim basenie cieczy ze zmienionymi warunkami powierzchni płynu i impaktora (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-02-17T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 49 s
Description: Poznaj metodę badania dynamiki płynów poprzez uderzenia swobodnie spadających kul w basen z wodą. Protokół obejmuje modyfikację powierzchni cieczy tkaninami, wizualizację plusków i ekstrakcję danych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy chcieliby podziękować College of Engineering and Computer Sciences (CECS) na University of Central Florida za finansowanie tego projektu, Joshua Bom i Chris Souchik za zdjęcia portretowe oraz Nicholas Smith za cenne opinie.

1. Konfiguracja eksperymentu dla uderzeń pionowych
<ol>
	<li>Napełnij przezroczysty zbiornik z wodą o wymiarach około 60 cm x 30 cm x 36 cm (długość x szerokość x głębokość) 32 L wody i zamocuj pionowo wewnątrz pojemnika linijkę metrową („skalę wizualną”) w taki sposób, aby jej podstawa spoczywała na powierzchni cieczy, jak pokazano na Rysunku 1a. 
	UWAGA: Głębokość i szerokość zbiornika muszą być ponad 20 razy większe od średnicy największych kul użytych w eksperymencie, aby zapewnić pomijalny wpływ ścianek9. Większe prędkości wlotowe niż opisane tutaj będą wymagały większej głębokości zbiornika. Skala wizualna służąca do określania wysokości upadku i kalibracji oprogramowania śledzącego jest omówiona w sekcji 7.</li>
	<li>Umieść dodatkową linijkę metrową pod wodą, która może służyć do powiększenia wymiarów. Ta skala wizualna jest wykorzystywana do kalibracji oprogramowania śledzącego dla pomiarów podwodnych.</li>
	<li>Zbuduj zawiasową platformę („mechanizm uwalniający”), która zawiesza kule nad cieczą i obraca się w dół, aby po zwolnieniu uzyskać przyspieszenie styczne w miejscu uderzenia większe od przyspieszenia grawitacyjnego, jak pokazano na Rysunku 1a. Szybką rotację uzyskuje się poprzez połączenie zawiasowej platformy z centrum elementu wsporczego za pomocą gumek recepturek. Wynikiem jest niepodparte i niewykręcone uderzenie. 
	UWAGA: Platformę można łatwo wykonać za pomocą drukarki 3D.</li>
	<li>Do prób uderzeniowych przyciśnij kciuk do podstawy zawiasowej platformy i obróć ją o 90° do pozycji poziomej, aby umieścić kule nad cieczą. 
	UWAGA: Cofnięcie zostaje wywołane po zwolnieniu kciuka z podstawy platformy.</li>
	<li>Przymocuj mechanizm uwalniający do statywu laboratoryjnego w taki sposób, aby urządzenie można było regulować na różne wysokości.</li>
	<li>Ustaw statyw laboratoryjny obok zbiornika tak, aby mechanizm uwalniający znajdował się w tej samej płaszczyźnie głębokości co skala wizualna. W razie potrzeby dodaj obciążenie do podstawy statywu, aby zapobiec jego przewróceniu.</li>
	<li>Ustaw mechanizm uwalniający na maksymalną pożądaną eksperymentalną wysokość upadku. Jest to niezbędne dla optymalnej wizualizacji rozbryzgu, co omówiono w sekcji 6, i zapewnia, że interesujące cechy rozbryzgu zawsze znajdują się w kadrze kamery.</li>
	<li>Zamocuj wielo-LED-owe źródło światła na ramieniu przegubowym tak, aby światło znajdowało się powyżej kamery i było skierowane w dół na strefę rozbryzgu. Samo światło otoczenia jest niewystarczające do oświetlenia sceny przy wysokich częstotliwościach klatek niezbędnych do wyodrębnienia kinematyki rozbryzgu. 
	UWAGA: Światła nigdy nie jest za dużo.</li>
	<li>Umieść czarny ekran z tyłu zbiornika z wodą, aby ułatwić wizualizację rozbryzgu i kawitacji, jak pokazano na Rysunku 2.</li>
	<li>Umieść amortyzator chroniący szkło, np. gąbkę o zamkniętych komórkach, na dnie zbiornika z wodą i przymocuj go obciążnikami, aby zapobiec jego wypłynięciu na powierzchnię. 
	UWAGA: Wysokość cieczy w zbiorniku powinna być taka, aby kula nie weszła w interakcję z amortyzatorem przed zamknięciem się kawerny powietrznej10.</li>
</ol>
2. Kontrola parametrów bezwymiarowych
<ol>
	<li>Przeprowadź eksperymenty z gładkimi sferami o różnych masach i średnicach. W tym celu szczególnie dobrze sprawdzają się kulki z polioksymetylenu (np. Delrin) przeznaczone do wyrobów monetowych, które nie posiadają linii podziału formy. Masę i średnice zmierz odpowiednio za pomocą wagi analitycznej i suwmiarki.</li>
	<li>Przeprowadź eksperymenty dla zakresu wysokości H, aby uzyskać prędkości uderzenia <img alt="Wzór stanu równowagi statycznej, U≈√(2gH), wyrażenie matematyczne dla koncepcji energii potencjalnej." src="/files/ftp_upload/59300/59300eq1.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Equation 1">, gdzie <img alt="Równanie przyspieszenia grawitacyjnego \(g=9.81\); fizyka; wartość stała; formuła naukowa." src="/files/ftp_upload/59300/59300eq2.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Equation 2">m/s2 jest przyspieszeniem ziemskim. Wysokość zmierz za pomocą skali wizualnej w kadrze kamery. 
	UWAGA: Aby zmierzyć prędkości uderzenia, użyj funkcji Auto-Tracking w narzędziu do analizy wideo, zgodnie z opisem w sekcji 7.</li>
	<li>Przeprowadź eksperymenty z mieszaninami cieczy składającymi się z wody i odpowiednich surfaktantów (np. gliceryny lub mydła) w celu zmodyfikowania napięcia powierzchniowego. Napięcie powierzchniowe zmierz za pomocą tensiometru.</li>
	<li>Oblicz liczby Reynoldsa <img alt="Równanie liczby Reynoldsa Re=ρUD/μ, dynamika płynów, analiza przepływu, równanie oceny stabilności." src="/files/ftp_upload/59300/59300eq3.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Equation 3"> oraz liczby Webera <img alt="Równanie liczby Webera We=ρU²D/σ; koncepcja dynamiki płynów; ilustracja formuły." src="/files/ftp_upload/59300/59300eq4.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Equation 4">, gdzie ρ to gęstość cieczy, D to średnica sfery, μ to lepkość dynamiczna cieczy, a σ to napięcie powierzchniowe cieczy.</li>
</ol>
3. Utrzymywanie sanitarnych warunków eksperymentalnych
<ol>
	<li>Przeprowadź eksperymenty w przemysłowych rękawicach nitrylowych i wyjmij sfery ze zbiornika z wodą za pomocą zdezynfekowanej chochli. 
	OSTROŻNIE: Skóra naturalnie wydziela tłuszcze, które mogą wpłynąć na zwilżalność uderzaczy i zanieczyścić warunki cieczowe.</li>
	<li>Oczyść sfery 99% alkoholem izopropylowym i pozostaw do wyschnięcia na 1 min pomiędzy próbami, aby wykluczyć wpływ zanieczyszczeń.</li>
	<li>W przypadku użycia tkanin, które rozpadają się podczas uderzenia, wymień wodę w zbiorniku po każdej próbie, jeśli resztki materiału nie mogą zostać zebrane ręcznie.</li>
	<li>Po zakończeniu eksperymentu opróżnij zbiornik i pozostaw go do wyschnięcia.</li>
	<li>Przed eksperymentem oczyść zbiornik wodą, aby usunąć wszelkie zanieczyszczenia.</li>
</ol>
4. Warstwowanie powierzchni tkaninami przepuszczalnymi
<ol>
	<li>Podziel tkaninę na kwadratowe lub okrągłe warstwy w ramach przygotowania do prób uderzeniowych. Użyj suwmiarki Verniera, aby zmierzyć grubość tkaniny po ściskaniu. 
	UWAGA: Grubość tkaniny ulegnie zmianie po namoczeniu.</li>
	<li>Ostrożnie połóż suchą tkaninę na powierzchni lustra cieczy. Upewnij się, że warstwy nie zaczną opadać przed zwolnieniem uderzacza; wymieniaj tkaniny niezwłocznie po kolizji.</li>
	<li>Użyj sterylnej łyżki, aby umieścić tkaninę pod ruchomą platformą przed zwolnieniem kul.</li>
	<li>(Opcjonalnie) Przeprowadź następujące testy na próbce tkaniny w celu charakterystyki materiału.
	<ol>
		<li>Wykonaj próbę rozciągania za pomocą maszyny do prób rozciągania, aby określić moduł sprężystości próbki.</li>
		<li>Użyj mikroskopu cyfrowego, aby uzyskać obraz mikroskopowy tkaniny i określ długość włókien za pomocą narzędzia do analizy obrazu.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. Przygotowanie chemicznie hydrofobowych sfer
<ol>
	<li>Nanieś natryskowo hydrofobową warstwę bazową z odległości około 15–30 cm od powierzchni sfery. Unikaj nadmiernego zwilżenia powierzchni. Pozostaw do wyschnięcia na 1‒2 min przed nałożeniem kolejnych warstw. Nanieś dwie kolejne warstwy bazowe. Pozostaw do wyschnięcia na 30 min przed nałożeniem warstwy wykończeniowej. 
	UWAGA: Liczba dodatkowych warstw może się różnić w zależności od zaleceń producenta produktu.</li>
	<li>Nanieś natryskowo hydrofobową warstwę wykończeniową z odległości około 15–30 cm od powierzchni. Unikaj nadmiernego zwilżenia powierzchni. Pozostaw do wyschnięcia na 1–2 min przed nałożeniem kolejnych warstw. Nanieś dwie lub trzy kolejne warstwy wykończeniowe. Pozostaw do wyschnięcia na 30 min przed lekkim użytkowaniem oraz na 12 h przed pełnym użytkowaniem. 
	UWAGA: Liczba dodatkowych warstw wykończeniowych może się różnić w zależności od zaleceń producenta produktu.</li>
	<li>Po około 20 próbach powłoka hydrofobowa ulega uszkodzeniu w wyniku intensywnego użytkowania. Usuń powłokę za pomocą 99% izopropanolu i powtórz kroki 5.1 oraz 5.2.</li>
</ol>
6. Synchronizacja kamer do wizualizacji rozbryzgów
<ol>
	<li>Umieść kamerę wysokiej rozdzielczości z odpowiednim obiektywem prostopadle do osi uderzenia i w linii z powierzchnią cieczy. 
	UWAGA: Obiektyw stałoogniskowy 55 mm stanowi dobry punkt wyjścia.</li>
	<li>W przypadku użycia tkanin, do eksperymentu należy dołączyć dodatkową kamerę wysokiej rozdzielczości, aby uzyskać widok uderzeń z góry, jak pokazano na Rysunku 1b.</li>
	<li>Zsynchronizuj wiele kamer z komputerem, wykonując następujące kroki:
	<ol>
		<li>Połącz oba terminale wyjściowe kamery poziomej z oboma terminalami wejściowymi dodatkowej kamery za pomocą kabli BNC.</li>
		<li>Podłącz przełącznik wyzwalający wyłącznie do kamery poziomej.</li>
		<li>Podłącz kable Ethernet z obu kamer do routera poza siecią, który jest połączony z komputerem. 
		UWAGA: W przypadku braku routera podłącz kable Ethernet kamer do osobnych komputerów.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>W oprogramowaniu do akwizycji wideo skonfiguruj kamery z następującymi ustawieniami: ustaw częstotliwość klatek na minimum 1 000 fps, a rozdzielczość ekranu na pożądaną wartość. Ustaw czas otwarcia migawki na 1 na sekundę klatki i ustaw tryb wyzwalania na koniec (end).</li>
	<li>Z maksymalnej wysokości zwolnienia przeprowadź serię prób testowych, aby upewnić się, że jety Worthingtona znajdują się w kadrze wideo.</li>
	<li>Odpowiednio dostosuj pozycję i ostrość kamery, aż do uzyskania pożądanej jakości wizualizacji.</li>
	<li>Po nagraniu wyodrębnij pomiary kinematyczne i geometryczne z filmów za pomocą odpowiedniego narzędzia do analizy wideo. Użyj Tracker, otwartoźródłowego narzędzia analitycznego, lub dowolnego oprogramowania o porównywalnych możliwościach.</li>
</ol>
7. Digitalizacja kinematyki uderzenia za pomocą oprogramowania Tracker
<ol>
	<li>Wybierz narzędzie calibration stick (pręt kalibracyjny) z zestawu narzędzi programu Tracker i dopasuj go do skali wizualnej (Rysunek 2a), czyniąc pręt tak długim, jak to możliwe.</li>
	<li>Kliknij calibration stick i ustaw wartość skalowania na długość skali wizualnej objętą przez pręt. Przykładowo, jeśli pręt kalibracyjny obejmuje 1 cm na skali wizualnej, ustaw wartość skalowania na 1. 
	UWAGA: Zapewnia to, że pomiary dokonywane przez oprogramowanie będą wyrażone w centymetrach.</li>
	<li>Przełączaj odtwarzanie wideo, klikając start oraz stop, i ustaw wideo na żądaną klatkę.</li>
	<li>Wybierz narzędzie measuring stick (pręt pomiarowy) z zestawu narzędzi programu Tracker i wyznacz wysokość korony rozbryzgu k, szerokość kawerny b, głębokość kawerny l oraz wysokość strumienia Worthingtona h, jak pokazano na Rysunku 2b,c. 
	UWAGA: Pręt pomiarowy jest regulowany z obu końców i może być używany jednocześnie z innymi narzędziami z zestawu.</li>
	<li>Wybierz narzędzie protractor (kątomierz) z zestawu narzędzi programu Tracker i zmierz kąt rozdzielenia cieczy q względem impaktora, jak pokazano na Rysunku 2b. Kątomierz jest regulowany z obu końców i może być używany jednocześnie z innymi narzędziami z zestawu.</li>
	<li>Wybierz funkcję Auto-Tracking w oprogramowaniu, aby zarejestrować dane dotyczące pozycji i prędkości w czasie. W przypadku przerwania śledzenia z powodu braku wyraźności obrazu w wideo, stosuj śledzenie ręczne do momentu odzyskania wyraźności i wznowienia automatycznego śledzenia.</li>
</ol>

<ol><li>Watson, D. A., Stephen, J. L., Dickerson, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Jet+amplification+and+cavity+formation+induced+by+penetrable+fabrics+in+hydrophilic+sphere+entry%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+Fluids%22%5BJournal%5D)">Jet amplification and cavity formation induced by penetrable fabrics in hydrophilic sphere entry.</a> Physics of Fluids. 30, 082109(2018).</li>
<li>Truscott, T. T. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Cavity+dynamics+of+water+entry+for+spheres+and+ballistic+projectiles%22">Cavity dynamics of water entry for spheres and ballistic projectiles</a>. , Massachusetts Institute of Technology. Doctor of Philosophy Thesis (2009).</li>
<li>Truscott, T., Techet, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Water+entry+of+spinning+spheres%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Water entry of spinning spheres.</a> Journal of Fluid Mechanics. 625, 135(2009).</li>
<li>Techet, A., Truscott, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Water+entry+of+spinning+hydrophobic+and+hydrophilic+spheres%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluids+and+Structures%22%5BJournal%5D)">Water entry of spinning hydrophobic and hydrophilic spheres.</a> Journal of Fluids and Structures. , 716(2011).</li>
<li>Zhao, S., Wei, C., Cong, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Numerical+investigation+of+water+entry+of+half+hydrophilic+and+half+hydrophobic+spheres%5BTitle%5D)+AND+%22Mathematical+Problems+in+Engineering%22%5BJournal%5D)">Numerical investigation of water entry of half hydrophilic and half hydrophobic spheres.</a> Mathematical Problems in Engineering. 2016, 1-15 (2016).</li>
<li>Worthington, A. M., Cole, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impact+with+a+liquid+surface+studied+by+the+aid+of+instantaneous+photography%5BTitle%5D)+AND+%22Philosophical+Transactions+of+the+Royal+Society+of+London%22%5BJournal%5D)">Impact with a liquid surface studied by the aid of instantaneous photography.</a> Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 137, 137(1897).</li>
<li>Worthington, A. M., Cole, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impact+with+a+liquid+surface+studied+by+the+aid+of+instantaneous+photography.+Paper+II%5BTitle%5D)+AND+%22Philosophical+Transactions+of+the+Royal+Society+of+London%22%5BJournal%5D)">Impact with a liquid surface studied by the aid of instantaneous photography. Paper II.</a> Philosophical Transactions of the Royal Society of London. , 175(1900).</li>
<li>Duez, C., Ybert, C., Clanet, C., Bocquet, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Making+a+splash+with+water+repellency%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Physics%22%5BJournal%5D)">Making a splash with water repellency.</a> Nature Physics. 3, 180-183 (2007).</li>
<li>Tan, B. C. W., Thomas, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Influence+of+an+upper+layer+liquid+on+the+phenomena+and+cavity+formation+associated+with+the+entry+of+solid+spheres+into+a+stratified+two-layer+system+of+immiscible+liquids%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+Fluids%22%5BJournal%5D)">Influence of an upper layer liquid on the phenomena and cavity formation associated with the entry of solid spheres into a stratified two-layer system of immiscible liquids.</a> Physics of Fluids. 30, 064104(2018).</li>
<li>Shin, J., McMahon, T. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+tuning+of+a+splash%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+Fluids%22%5BJournal%5D)">The tuning of a splash.</a> Physics of Fluids. 2, 1312-1317 (1990).</li>
<li>Krishnan, S. R., Seelamantula, C. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+selection+of+optimum+Savitzky-Golay+filters%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Signal+Processing%22%5BJournal%5D)">On the selection of optimum Savitzky-Golay filters.</a> IEEE Transactions on Signal Processing. 61, 380-391 (2013).</li>
<li>Cheny, J., Walters, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Extravagant+viscoelastic+effects+in+the+Worthington+jet+experiment%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Non-Newtonian+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Extravagant viscoelastic effects in the Worthington jet experiment.</a> Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 67, 125-135 (1996).</li>
<li>Castillo-Orozco, E., Davanlou, A., Choudhur, P. K., Kumar, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Droplet+impact+on+deep+liquid+pools%3A+Rayleigh+jet+to+formation+of+secondary+droplets%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+E%22%5BJournal%5D)">Droplet impact on deep liquid pools: Rayleigh jet to formation of secondary droplets.</a> Physical Review E. 92, (2015).</li>
<li>Aristoff, J. M., Truscott, T. T., Techet, A. H., Bush, J. W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+water+entry+cavity+formed+by+low+bond+number+impacts%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+Fluids%22%5BJournal%5D)">The water entry cavity formed by low bond number impacts.</a> Physics of Fluids. 20, 091111(2008).</li>
<li>Aristoff, J., Bush, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Water+entry+of+small+hydrophobic+spheres%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Water entry of small hydrophobic spheres.</a> Journal of Fluid Mechanics. 619, 45-78 (2009).</li>
<li>Aristoff, J., Truscott, T., Techet, A., Bush, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+water+entry+of+decelerating+spheres%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+Fluids%22%5BJournal%5D)">The water entry of decelerating spheres.</a> Physics of Fluids. 22, (2010).</li>
<li>Truscott, T., Epps, B., Techet, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Unsteady+forces+on+spheres+during+free-surface+water+entry%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Unsteady forces on spheres during free-surface water entry.</a> Journal of Fluid Mechanics. 704, 173-210 (2012).</li>
<li>Truscott, T. T., Epps, B. P., Belden, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Water+entry+of+projectiles%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Review+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Water entry of projectiles.</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 46, 355-378 (2013).</li>
<li>Gekle, S., Gordillo, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Generation+and+breakup+of+Worthington+jets+after+cavity+collapse+part+1%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Generation and breakup of Worthington jets after cavity collapse part 1.</a> Journal of Fluid Mechanics. 663, 293-330 (2010).</li>
<li>Cross, R., Lindsey, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+the+drag+force+on+a+falling+ball%5BTitle%5D)+AND+%22The+Physics+Teacher%22%5BJournal%5D)">Measuring the drag force on a falling ball.</a> The Physics Teacher. 169, (2014).</li>
<li>Cross, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Vertical+impact+of+a+sphere+falling+into+water%5BTitle%5D)+AND+%22The+Physics+Teacher%22%5BJournal%5D)">Vertical impact of a sphere falling into water.</a> The Physics Teacher. , 153(2016).</li>
<li>Dickerson, A. K., Shankles, P., Madhavan, N., Hu, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mosquitoes+survive+raindrop+collisions+by+virtue+of+their+low+mass%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">Mosquitoes survive raindrop collisions by virtue of their low mass.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 109 (25), 9822-9827 (2012).</li>
<li>Dickerson, A. K., Shankles, P., Hu, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Raindrops+push+and+splash+flying+insects%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+Fluids%22%5BJournal%5D)">Raindrops push and splash flying insects.</a> Physics of Fluids. 26, 02710(2014).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Protokół ten opisuje projekt eksperymentalny i najlepsze praktyki w zakresie badań swobodnie spadających kul na głęboki basen cieczy. Zaczynamy od wyróżnienia kroków niezbędnych do skonfigurowania eksperymentu pod kątem oddziaływań pionowych. Ważne jest, aby stworzyć idealne środowisko rozbryzgu z wykorzystaniem wystarczająco dużej strefy rozbryzgu, tak aby efekty ścian były znikome9, oraz odpowiedniej skali wizualnej do wyodrębnienia kinematyki 12,13,14,15,16,17,18,19,20,21</sup...

Charakterystyka dynamiki rozprysków wynikającej z pionowych uderzeń ciał stałych w głęboki basen z cieczą1 ma zastosowanie do zastosowań wojskowych, morskich i przemysłowych, takich jak wejście do wody pocisków balistycznych i lądowanie na powierzchni morza2,3,4,5. Pierwsze badania nad wnikaniem wody przeprowadzono ponad sto lat temu6,7. W tym miejscu ustalamy jasne, szczegółowe protokoły i najlepsze praktyki w celu osiągnięcia spójnych wyników badań dotyczących wnikania do wody. Aby ułatwić prawidłowy projekt eksperymentalny, przedstawiono metodę utrzymania warunków sanitarnych, zmiany warunków międzyfazowych, kontroli parametrów bezwymiarowych, modyfikacji chemicznej powierzchni impaktora oraz wizualizacji kinematyki rozbryzgów.
Pionowe uderzenia swobodnie spadających kul hydrofilowych na płyn w stanie spoczynku nie wykazują żadnych oznak uwięzienia powietrza przy niskich prędkościach8. Odkryliśmy, że umieszczenie cienkich, przepuszczalnych tkanin na powierzchni płynu powoduje tworzenie się ubytków w wyniku separacji wymuszonego przepływu1. Niewielka ilość materiału na powierzchni wzmacnia rozpryskiwanie w zakresie umiarkowanych liczb Webera, podczas gdy wystarczająca ilość warstw tłumi rozpryskiwanie, gdy kule pokonują opór przy wejściu płynu1. W tym artykule wyjaśniamy protokoły odpowiednie do ustalania wpływu wytrzymałości materiału na wnikanie kul hydrofilowych do wody.
Rozpryski z hydrofobowych impaktorów tworzą wgłębienia dobrze rozwiniętej korony rozpryskowej, a następnie wystający strumień pierwotny wysoko ponad powierzchnię w porównaniu do ich odpowiedników lubiących wodę8. W tym miejscu przedstawiamy podejście do uzyskania hydrofobowości poprzez chemiczną modyfikację powierzchni kulek hydrofilowych.
Wraz z pojawieniem się szybkich kamer, wizualizacja i charakteryzacja rozprysków stały się bardziej osiągalne. Mimo to ustalone standardy w tej dziedzinie wymagają użycia pojedynczej kamery prostopadłej do głównej osi ruchu. Pokazujemy, że użycie dodatkowej szybkiej kamery do obserwacji z góry jest konieczne, aby ocenić, czy kule uderzają w zamierzone miejsce.

<table><tbody><tr><td>Drukarka 3D</td><td>FlashForge</td><td>Creator Pro</td><td>Podwójna ekstruzja</td></tr><tr><td>alkoholowa</td><td>Swan</td><td>M314</td><td>99% BNC izopropylowe</td></tr><tr><td></td><td>Thorlabs</td><td>2249-C-24</td><td></td></tr><tr><td>Suwmiarka</td><td>Narzędzia w dowolnym momencie 203185</td><td></td><td>Kamera</td></tr> wybierania <tr><td></td><td>Photron</td><td>Mini AX-100</td><td>16GB Ram</td></tr><tr><td>Komputer</td><td>Dell</td><td>Windows 7 Pro</td><td></td></tr><tr><td>Tkanina</td><td>Georgia Pacific</td><td>19378</td><td>Tkanina papieru toaletowego</td></tr><tr><td></td><td>Kleenex</td><td>10036000478478</td><td></td></tr><tr><td>Wycinarka laserowa</td><td>do tkanek Glowforge</td><td>Podstawowe</td><td></td></tr><tr><td>światła</td><td>GS Vitec</td><td>LT-V9-15</td> Mikroskop <td>Multi-LED</td></tr><tr><td></td><td>Keyence</td><td>VHX-900F</td><td></td></tr><tr><td>Cyfrowy stojak retortowy</td><td>VWR</td><td>VWRF08530.083</td><td></td></tr><tr><td>Router</td><td>ASUS</td><td>RT-N12</td><td>Off Network</td></tr><tr><td>Linijka</td><td>Westcott</td><td>10432</td><td>Miernik Linijka</td></tr><tr><td>Oprogramowanie</td><td>Open-Source</td><td>Tracker</td><td>Oprogramowanie do analizy wideo</td></tr><tr><td></td><td>Photron</td><td>Fastcam Viewer</td><td>Nagrywanie wideo</td></tr><tr><td>Sphere</td><td>Amazon</td><td>8DELSET</td><td>Delrin</td></tr><tr><td>Spray</td><td>Rust-Oleum</td><td>274232</td><td>Wodoodporny</td></tr><tr><td>środek powierzchniowo czynny</td><td>Dawn</td><td>37000973782</td><td>Mydło w płynie</td></tr><tr><td>Surfaktant</td><td>USP Koszerny</td> tester rozciągania <td>gliceryny</td>o <td>pojemności 5 galonów</td></tr><tr><td></td><td>MTS</td><td>Model 42</td><td></td></tr><tr><td>Przełącznik spustowy</td><td>Wykonany na zamówienie</td><td></td><td></td></tr><tr><td>zbiornik na wodę</td><td>Mr. Aqua</td><td>MA-730</td><td>Szkło niehartowane</td></tr></tbody></table>

uderzenia swobodnie spadających kul w głębokim basenie cieczy ze zmienionymi warunkami powierzchni płynu i impaktora

Impacts of Free-falling Spheres on a Deep Liquid Pool with Altered Fluid and Impactor Surface Conditions

Pionowe uderzenia kul w czystą wodę były przedmiotem licznych badań nad wejściem do wody, charakteryzujących powstawanie wgłębień, wznoszenie się korony rozpryskowej i stabilność strumienia Worthington. W tym miejscu ustalamy eksperymentalne protokoły badania dynamiki rozprysków, gdy gładkie, swobodnie opadające kule o różnej zwilżalności, masie i średnicy uderzają w swobodną powierzchnię głębokiego basenu cieczy zmodyfikowanego przez cienkie przepuszczalne tkaniny i ciekłe środki powierzchniowo czynne. Badania wnikania wody zapewniają dostępne, łatwe w montażu i wykonaniu eksperymenty do badania złożonej mechaniki płynów. Poniżej przedstawiamy przestrajalny protokół charakteryzowania wysokości rozprysków, wskaźników separacji przepływu i kinematyki impaktora, a także reprezentatywne wyniki, które można uzyskać, odtwarzając nasze podejście. Metody te mają zastosowanie, gdy charakterystyczne wymiary rozbryzgów pozostają poniżej około 0,5 m. Protokół ten może być jednak dostosowany do większych wysokości uwalniania i prędkości uderzenia, co dobrze wróży przełożeniu wyników na zastosowania morskie i przemysłowe.

Niniejsze uznane protokoły pozwalają na obserwację strumieni Worthingtona powstających w wyniku uderzeń pionowych dla zakresu liczb Webera <img alt="równowaga statyczna; ΣFx=0; schemat; analiza ramienia dźwigni; bilans sił; fizyka edukacyjna" src="/files/ftp_upload/59300/59300eq5.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 5">, co przedstawiono na Rysunku 2c. Wyniki te zostały opublikowane w pracy Watson i wsp.1, do które...

Ten protokół demonstruje podstawową konfigurację eksperymentalną dla eksperymentów z wejściem do wody z swobodnie spadającymi kulami. Omówiono metody zmiany powierzchni cieczy za pomocą przenikalnych tkanin, przygotowania kulek niezwilżających chemicznie oraz etapów wizualizacji rozprysków i ekstrakcji danych.

Uderzenia swobodnie spadających kul w głębokim basenie cieczy ze zmienionymi warunkami powierzchni płynu i impaktora

Vertical impacts of spheres on clean water have been the subject of numerous water entry investigations characterizing cavity formation, splash crown ...

Protokół ten demonstruje eksperymenty z wstrzykiwaniem wody za pomocą kul swobodnego spadku. Omówiono przemiany powierzchni cieczy z penetrowanymi tkaninami, przygotowanie substancji chemicznej w powstających sferach, wizualizację rozprysków i ekstrakcję danych. Techniki te zapewniają wgląd w podstawowe badania nad dynamiką płynów, mające na celu zrozumienie interakcji międzyfazowych między obiektami stałymi a ciałami płynnymi.Procedurę zademonstrują Joshua Bom i Jeremy Stephen, studenci studiów licencjackich z Alberty. Podczas tej procedury należy nosić rękawice nitrylowe klasy przemysłowej, aby uniknąć zanieczyszczenia wody i impaktorów olejami skórnymi. Na początek dokładnie wyczyść przezroczysty zbiornik wodą z kranu i detergentem.Następnie napełnij go 32 litrami wody z kranu. Wyczyść dwie linijki metryczne 99% alkoholem izopropylowym i pozostaw do wyschnięcia na minutę. Zamontuj jedną linijkę skierowaną do przodu zbiornika, tak aby podstawa dotykała wody.Zamocuj drugą linijkę pionowo pod wodą. Następnie zabezpiecz platformę na zawiasach nad zbiornikiem tak, aby platforma znajdowała się w tej samej płaszczyźnie głębokości co linijka nad wodą w stosunku do przodu zbiornika. Dostosuj platformę do maksymalnej żądanej wysokości zrzutu, a następnie przymocuj światło z wieloma diodami LED do ramienia przegubowego i ustaw światło nad i przed zbiornikiem, aby w pełni oświetlić strefę rozbryzgu pod platformą.Ustaw ekran z tyłu zbiornika, aby ułatwić wizualizację rozprysków i wnęk. Połóż czysty, bezolejowy amortyzator, taki jak gąbka o zamkniętych komórkach, na dnie zbiornika i przytrzymaj go na miejscu za pomocą czystych obciążników. Następnie zamontuj szybką kamerę skierowaną w stronę zbiornika w jednej linii z powierzchnią płynu.W razie potrzeby podłącz przełącznik spustowy do aparatu. Podłącz kamerę do komputera i skonfiguruj ją tak, aby działała z szybkością co najmniej 1 000 klatek na sekundę. Wybierz żądaną rozdzielczość i ustaw czas otwarcia migawki na jeden na sekundę.W razie potrzeby ustaw tryb wyzwalania na Koniec. Następnie wyczyść małą miarkę i kulki metanolu z politlenku 99% alkoholem izopropylowym, aby usunąć oleje skórne i inne zanieczyszczenia. Pozostaw kulki i szufelkę do wyschnięcia na minutę.Przeprowadź próby testowe i dostosuj pozycję kamery, ostrość i rozdzielczość, aby uzyskać optymalną jakość wizualizacji dla zdarzenia rozpryskującego. Następnie wyjmij kulki za pomocą szufelki i wyczyść kulki i nabierz alkoholem izopropylowym. Gdy będziesz gotowy do rozpoczęcia eksperymentu, zacznij filmować czołg.Podnieś platformę zawiasów na miejsce i oprzyj na niej czystą, suchą kulę. Zwolnij podstawę platformy, aby wrzucić kulę do zbiornika. Następnie przerwij filmowanie, zapisz plik wideo i przytnij wideo, aby pokazać tylko zdarzenie powitalne.Gdy będziesz gotowy do przejścia do następnego testu, wyjmij kulę z miarką. Oczyść kulę alkoholem izopropylowym i pozostaw do wyschnięcia na minutę przed powtórzeniem testu. Po zakończeniu eksperymentu opróżnij zbiornik i pozostaw do wyschnięcia.Aby przygotować przepuszczalne tkaniny do testu, należy podzielić pożądane tkaniny na kwadratowe lub okrągłe warstwy i użyć suwmiarki do zmierzenia grubości sprasowanej suchej tkaniny. Podczas ustawiania eksperymentu zamontuj drugą szybką kamerę nad zbiornikiem, aby zapewnić widok z góry na kulę uderzającą w tkaninę. Podłącz wyjścia kamery poziomej do zacisków wejściowych kamery górnej za pomocą BNC.Podłącz przełącznik spustowy do kamery poziomej. Następnie użyj Ethernet, aby podłączyć obie kamery do routera offline podłączonego do komputera kamery. Ustaw ostrość i skonfiguruj obie kamery jak zwykle.Gdy będziesz gotowy do przeprowadzenia eksperymentu, delikatnie oprzyj suchą tkaninę na powierzchni cieczy w zbiorniku. Upewnij się, że tkanina nie zacznie tonąć przed rozpoczęciem próby. Użyj czystej, bezolejowej szufelki, aby umieścić tkaninę poniżej platformy na zawiasach.Użyj przełącznika spustowego, aby rozpocząć jednoczesne filmowanie strefy rozbryzgów obiema kamerami przed ustawieniem kolizji. Usuń tkaninę natychmiast po zderzeniu. Jeśli tkanina rozpadnie się przy uderzeniu, a zadrapań nie można zebrać ręcznie, opróżnij i wyczyść zbiornik po każdej próbie, aby upewnić się, że cała tkanina została usunięta.Aby rozpocząć przygotowanie chemicznie hydrofobowych kulek, dopasuj kulkę z politlenku mentolu do akrylowego uchwytu. Pozycjonowanie kulek do powlekania powierzchni jest najtrudniejszym aspektem tego protokołu. Pozycjonowanie jest kontrolowane za pomocą warstwowych arkuszy akrylowych, które mają otwory nieco szersze niż kule.Spryskaj kulę hydrofobową powłoką bazową z odległości około 15 do 30 centymetrów, nie mocząc powierzchni kuli. Następnie spryskaj kulę hydrofobową powłoką wierzchnią z odległości około 15 do 30 centymetrów bez namaczania powierzchni i pozostaw do wyschnięcia na jedną do dwóch minut. W ten sam sposób nałóż jeszcze dwie lub trzy warstwy wierzchnie.Pozostaw kulę do wyschnięcia na 30 minut w przypadku lekkiego użycia lub około 12 godzin w przypadku pełnego użycia. Podczas wstępnych prób udarności pozwól kuli całkowicie wyschnąć po każdej próbie, zamiast spłukiwać ją alkoholem izopropylowym. Powłoka hydrofobowa ulega degradacji po około 20 próbach.Aby ponownie użyć tej kuli, usuń powłokę 99% alkoholem izopropylowym i ponownie nałóż warstwę bazową i wierzchnią, jak opisano wcześniej. Aby rozpocząć analizę, zaimportuj film o dużej prędkości ze zdarzenia rozprysku do oprogramowania do analizy wideo. Użyj narzędzi skalowania, aby ustawić wartość skalowania w centymetrach na podstawie widocznego obszaru linijki.Przejdź przez film, aby znaleźć odpowiednią klatkę przedstawiającą rozpryskiwanie, wznoszenie korony i uwięzienie w powietrzu. Zmierz wysokość korony rozbryzgowej, szerokość wnęki i głębokość wnęki. Użyj narzędzia do pomiaru kąta, aby określić kąt separacji.Przejdź dalej w filmie, aby znaleźć odpowiednią ramkę pokazującą formację Worthington Jet i zmierzyć wysokość Worthington Jet. Na koniec użyj funkcji automatycznego śledzenia, aby wyodrębnić pozycję czasową i datę prędkości impaktora. Jeśli śledzenie zostanie przerwane, użyj śledzenia ręcznego, dopóki nie będzie można wznowić automatycznego śledzenia.W tym przypadku procedura ta została wykorzystana do oceny wpływu tkaniny na rozpryskiwanie w wyniku uderzeń pionowych. Wysokość rozprysku przy jednej warstwie została zwiększona w stosunku do wysokości rozprysku bez tkaniny. Wysokość rozprysku z dwiema warstwami była mniej więcej równa wysokości rozprysku bez tkaniny.Plusk był mocno stłumiony trzema i czterema warstwami. Zaobserwowano minimalne różnice w liczbach Webera dotyczących głębokości wnęki, wysokości rozprysku terenu i szerokości wnęki od kul uderzających w pojedynczą warstwę tkaniny. Pionowe pozycje kul były śledzone pod wodą, co pozwoliło na obserwację większych spadków prędkości podwodnej z każdą dodaną warstwą tkaniny.Badacze muszą zwracać szczególną uwagę na utrzymanie sanitarnych warunków eksperymentu podczas eksperymentu, aby uzyskać spójne i ważne wyniki. Technika ta nie ogranicza się do prezentowanych tutaj materiałów i może być stosowana z materiałami o podobnych funkcjonalnościach i możliwościach. Dzięki wprowadzeniu podwyższonego zbiornika, takiego jak strzykawka, procedura ta może zostać rozszerzona o badania pionowych uderzeń kropelek cieczy na powierzchnie ciał stałych lub cieczy.Protokół ten może być również wdrożony na większą skalę, aby generować większe prędkości uderzenia i zwiększyć zakres parametrów bezwymiarowych, co wszystko dobrze sprawdza się w zastosowaniach morskich i przemysłowych.

impacts-free-falling-spheres-on-deep-liquid-pool-with-altered-fluid

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Ten artykuł demonstruje eksperymentalną procedurę pomiaru końcowych prędkości osiadania sferycznych cząstek w płynach lepkosprężystych na bazie surfaktantów rozrzedzanych ścinaniem. Przygotowywane są płyny o szerokim zakresie właściwości reologicznych i mierzone są prędkości osiadania dla różnych rozmiarów cząstek w płynach nieograniczonych i płynach między równoległymi ściankami.

Eksperymentalny pomiar prędkości osiadania cząstek sferycznych w nieograniczonych i ograniczonych płynach lepkosprężystych na bazie środków powierzchniowo czynnych rozrzedzających ścinanie

Wpływ kropli płynów nienewtonowskich jest złożonym procesem, ponieważ różne parametry fizyczne wpływają na dynamikę w bardzo krótkim czasie (mniej niż jedna dziesiąta milisekundy). Wprowadzono technikę szybkiego obrazowania w celu scharakteryzowania zachowań zderzeniowych różnych płynów nienewtonowskich.

Technika szybkiego obrazowania do badania dynamiki uderzeń kropli płynów nienewtonowskich

Opisano dwa eksperymentalne urządzenia do badania uderzenia strumienia cieczy w poruszającą się powierzchnię o dużej prędkości: urządzenie z armatą powietrzną i urządzenie z wirującym dyskiem. Aparatura służy do określania optymalnych podejść do stosowania płynnego modyfikatora tarcia (LFM) na torach kolejowych w celu kontroli tarcia na szczycie szyny.

Wizualizacja zaparcia strumienia cieczy o dużej prędkości na ruchomej powierzchni

Prezentowane są dwie różne metody charakteryzowania początkowego ruchu cząstek pojedynczego koralika jako funkcji geometrii złoża osadu od przepływu laminarnego do turbulentnego.

Wizualna charakterystyka początkowego ruchu cząstek w regularnych podłożach: od warunków laminarnych do turbulentnych

Przedstawiono protokół do badania wpływu fal na dynamikę uderzeń kropel w przepływające warstwy cieczy.

Kontrola filmu w celu zbadania wpływu fal na dynamikę oddziaływania kropel na cienkie, płynące warstwy cieczy

Ten protokół umożliwia efektywne zbieranie eksperymentalnych obrazów uderzeń kropel cieczy z dużą prędkością oraz szybką analizę tych danych w partiach. Aby usprawnić te procesy, metoda opisuje, jak skalibrować i ustawić aparaturę, wygenerować odpowiednią strukturę danych i wdrożyć skrypt do analizy obrazu.

Wysokoprzepustowa analiza uderzeń kropel cieczy

Opisujemy proces zmiany in situ powierzchni Si (001) potraktowanej HF w stan hydrofilowy lub hydrofobowy poprzez napromieniowanie próbek w komorach mikroprzepływowych wypełnionych roztworem H2O2/H2O (0,01%-0,5%) lub roztworami metanolu za pomocą impulsowego lasera UV o stosunkowo niskiej płynności impulsów.

Selektywna modyfikacja obszaru zwilżalności powierzchni krzemu za pomocą pulsacyjnego naświetlania laserem UV w środowisku ciekłym

Opracowanie nowych materiałów ablacyjnych i ich modelowanie numeryczne wymaga szeroko zakrojonych badań eksperymentalnych. Protokół ten opisuje procedury charakterystyki odpowiedzi materiału w przepływach plazmy, przy czym podstawowe techniki są nieinwazyjnymi metodami śledzenia recesji materiału wraz z chemią w reaktywnej warstwie granicznej za pomocą spektroskopii emisyjnej.

Badanie warstwy granicznej metodą spektroskopowej emisji podczas badania materiału ablacyjnego w plazmatronie

Przedstawiono protokół płynnego złuszczania warstwowych materiałów do nanoarkuszy, ich wyboru rozmiaru i pomiaru rozmiaru za pomocą technik mikroskopowych i spektroskopowych.

Przygotowanie ciekłych złuszczonych nanoarkuszy dichalkogenku metalu przejściowego o kontrolowanym rozmiarze i grubości: najnowocześniejszy protokół

Eksperymenty z wymianą ciepła w basenie zostały przeprowadzone, aby zaobserwować wpływ hybrydowych wzorców zwilżalnych stołów na współczynnik wymiany ciepła (HTC). Parametrami badania są liczba interlinii oraz orientacja wzoru zmodyfikowanej powierzchni zwilżalnej.

Poprawa wymiany ciepła we wrzeniu w basenie na powierzchniach cylindrycznych dzięki hybrydowym wzorom zwilżalnym

Poznaj metodę badania dynamiki płynów poprzez uderzenia swobodnie spadających kul w basen z wodą. Protokół obejmuje modyfikację powierzchni cieczy tkaninami, wizualizację plusków i ekstrakcję danych.

Uderzenia swobodnie spadających kul w głębokim basenie cieczy ze zmienionymi warunkami powierzchni płynu i impaktora

Przeglądaj więcej filmów