Magneticamente induzida Rotating Rayleigh-Taylor Instabilidade

O objetivo geral deste experimento é observar o efeito da rotação em um sistema gravitacionalmente instável composto por um fluido denso sobreposto a um fluido menos denso. Esse método pode ajudar a responder a questões-chave na dinâmica dos fluidos, como a forma como o efeito estabilizador da rotação compete e interage com o efeito desestabilizador da gravidade. A principal característica dessa técnica é a capacidade de criar um sistema rotativo estável de duas camadas e, em seguida, usar um ímã para manipular os pesos efetivos de cada camada, desencadeando a instabilidade.

Este é o aparelho usado para o experimento. Os principais componentes visíveis são uma plataforma rotativa para o tanque experimental, um cilindro de cobre que o suporta e um ímã supercondutor de furo à temperatura ambiente. O cilindro desce para o orifício do ímã e um campo magnético de 1,8 tesla.

Este esquema fornece detalhes adicionais do arranjo. A rotação da plataforma é produzida por um motor fora do eixo que gira um rolamento deslizante com um orifício de fechadura. O cilindro de cobre é preso ao eixo de acionamento em forma de chave e desce sob seu próprio peso quando o pino de retenção é removido.

A configuração completa inclui a iluminação e uma câmera de controle remoto para capturar imagens. Com o tanque em posição na plataforma, mova o eixo de acionamento para sua posição mais baixa. Certifique-se de que a câmera de vídeo tenha uma visão do experimento em foco e devidamente iluminada.

Para se preparar para o experimento, coloque a plataforma e o cilindro de cobre em sua posição mais alta. Trave o cilindro no lugar com o pino de retenção. Com todo o resto pronto, remova o tanque para prepará-lo para o experimento.

Em uma bancada de laboratório, comece a preparar os líquidos para o tanque. Para a camada densa, comece com 250 mililitros de água destilada em temperatura ambiente e adicione aproximadamente 6,25 gramas de cloreto de sódio à água. Os componentes da camada superior leve são 325 mililitros de água destilada à temperatura ambiente, juntamente com cloreto de manganês e corantes de rastreamento de água vermelha e azul.

Adicione uma pequena quantidade de fluoresceína sódica para completar a preparação. Os dois fluidos estão agora prontos para o experimento. Os líquidos estratificados serão mantidos em um recipiente cilíndrico transparente, que possui uma tampa de lucite que pode caber nele.

A tampa tem orifícios de sangria para permitir que o fluido e o ar fluam. Além do recipiente e dos fluidos, tenha um barco de flutuação pronto para uso. O barco de flutuação consiste em paredes de estireno sobre uma base de esponja.

A parte inferior de seu interior deve ser forrada com papel de seda forte. O barco deve ser capaz de caber facilmente no tanque experimental sem tocar nas laterais. Prossiga com as próximas etapas somente quando estiver pronto para executar o experimento.

Comece com o fluido de alta densidade e comece a adicioná-lo ao tanque. Pare quando 300 mililitros forem adicionados. Em seguida, prepare um tanque coletor com uma braçadeira e tubulação para o fluido de baixa densidade.

O tanque coletor deve conter pelo menos 350 mililitros e a braçadeira deve permitir o controle do fluxo de fluido. Prossiga adicionando fluido de baixa densidade ao tanque coletor. Em seguida, monte o tanque coletor acima do tanque experimental para permitir a liberação de fluido próximo à superfície do fluido de alta densidade.

Coloque o barco de flutuação na superfície do fluido de alta densidade. Ajuste a braçadeira no tanque coletor para adicionar fluido de baixa densidade ao barco de flutuação e adicione cerca de três mililitros por minuto. Com o tempo, o fluido de baixa densidade se difunde através da esponja, formando uma camada de fluido leve acima do fluido de alta densidade.

À medida que o barco se afasta da interface, aumente gradualmente a taxa de fluxo. Continue enchendo até que o tanque coletor seja esvaziado. Uma vez que o fluido tenha sido completamente sugado, remova o barco de flutuação lentamente para minimizar o gotejamento e obter a tampa do tanque experimental.

Coloque a tampa no lugar e comece a abaixá-la na camada superior de fluido. Pare quando as profundidades de cada camada forem iguais e não houver bolhas de ar presas. Se for bem-sucedido, haverá duas camadas de fluido de igual profundidade com uma interface nítida entre elas.

Haverá também uma camada de fluido de baixa densidade no topo da tampa de lucite. Prossiga rapidamente para realizar o experimento e mova cuidadosamente o tanque para o aparelho. Coloque o tanque experimental na plataforma, mantendo-o longe do ímã.

Ligue o motor e aumente a taxa de rotação lentamente, aumentando a tensão de alimentação até que a taxa desejada seja atingida. Quando a taxa de rotação desejada for atingida, inicie a gravação de vídeo e posicione-se para remover o pino de retenção. Quando estiver pronto, remova o pino e deixe o tanque descer no campo magnético.

Essas imagens são instantâneos da interface fluida para quatro taxas de rotação diferentes. Cada coluna corresponde a um tempo diferente e aumenta em incrementos de meio segundo. Nos primeiros momentos, por exemplo, na marca de um segundo, para cada taxa de rotação, há uma perturbação na interface com uma escala de comprimento dominante.

Com o aumento da taxa de rotação, a largura das estruturas semelhantes a cobras diminui. Essas imagens são de uma série de experimentos com viscosidade de fluido variável e uma taxa de rotação fixa. Cada coluna corresponde a um tempo diferente.

A escala de comprimento observada da instabilidade aumenta à medida que a viscosidade aumenta de valores mais baixos para valores mais altos. Ao traçar o comprimento de onda de rádio dominante em função da taxa de rotação, um limite mais baixo para a escala da instabilidade torna-se observável. Nestes dados para camadas de fluido com a viscosidade aproximada da água, acima das taxas de rotação de cerca de quatro radianos por segundo, o limite inferior é de aproximadamente seis milímetros.

Uma vez dominada, essa técnica pode ser realizada em uma hora se for executada corretamente.