Impactos das esferas em queda livre em um Pool profundo líquido com condições de superfície alterado fluido e pêndulo

Este protocolo demonstra experimentos de injeção de água com esferas de queda livre. São discutidas as alternâncias de superfícies líquidas com tecidos penetrados, a preparação de produtos químicos em esferas emergentes, a visualização de respingos e a extração de dados. Essas técnicas fornecem uma visão da dinâmica fundamental dos fluidos, voltada para a compreensão das interações interfaciais entre objetos sólidos e corpos fluidos.

Demonstrando o procedimento estarão Joshua Bom e Jeremy Stephen, estudantes de graduação de Alberta. Use luvas de nitrito de grau industrial durante todo este procedimento para evitar contaminar a água e os impactos com óleos de pele. Para começar a limpar completamente o tanque transparente com água da torneira e detergente.

Em seguida, encha-o com 32 litros de água da torneira. Limpe duas métricas com álcool isopropílico de 99% e deixe-as secar por um minuto. Monte uma régua de frente para a frente do tanque com a base apenas tocando a água.

Conserte a segunda régua verticalmente debaixo d'água. Em seguida, proteja uma plataforma articulada sobre o tanque para que a plataforma esteja dentro do mesmo plano de profundidade que a régua de água acima em relação à frente do tanque. Ajuste a plataforma para a altura máxima desejada de queda, em seguida, conecte uma luz multi LED a um braço articulador e posicione a luz acima e na frente do tanque para iluminar totalmente a zona de respingo sob a plataforma.

Coloque uma tela preta na parte de trás do tanque para ajudar com a visualização de respingos e cavidades. Coloque um absorvedor de choque livre de óleo limpo, como uma esponja de célula fechada na parte inferior do tanque e segure-o no lugar com pesos limpos. Em seguida, monte uma câmera de alta velocidade voltada para o tanque em linha com a superfície do fluido.

Conecte um interruptor de gatilho à câmera, se desejar. Conecte a câmera a um computador e configure a câmera para uma taxa de quadros de pelo menos 1.000 quadros por segundo. Escolha a resolução desejada e defina a velocidade do obturador para uma por segundo emoldurada.

Se aplicável, defina o modo de acionamento para End. Em seguida, limpe uma pequena colher e esferas de metanol de polióxido com 99% de álcool isopropílico para remover óleos de pele e outros contaminantes. Deixe as esferas e colher secar por um minuto.

Testes de teste pré-forma e ajuste a posição, foco e resolução da câmera para alcançar a qualidade ideal de visualização para o evento splash. Em seguida, recupere as esferas com uma colher e limpe as esferas e colher com álcool isopropílico. Quando estiver pronto para começar o experimento comece a filmar o tanque.

Levante a plataforma da dobradiça no lugar e descanse uma esfera seca limpa na plataforma. Solte a base da plataforma para jogar a esfera no tanque. Em seguida, pare de filmar, salve o arquivo de vídeo e corte o vídeo para mostrar apenas o evento de respingo.

Quando estiver pronto para prosseguir para o próximo teste, recupere a esfera com o furo. Limpe a esfera com álcool isopropílico e deixe secar por um minuto antes de repetir o teste. Quando o experimento terminar, esvazie o tanque e deixe-o secar.

Para preparar tecidos penetráveis para o teste, separe os tecidos desejados em plies quadrados ou redondos e use pinças Vernier para medir a espessura compactada do tecido seco. Ao configurar o experimento, monte uma segunda câmera de alta velocidade sobre o tanque para fornecer uma visão superior para baixo da esfera impactando o tecido. Conecte as saídas horizontais da câmera aos terminais de entrada da câmera aérea com cabos BNC.

Conecte um interruptor de gatilho à câmera horizontal. Em seguida, use cabos Ethernet para conectar ambas as câmeras a um roteador offline conectado ao computador da câmera. Concentre-se e configure ambas as câmeras como de costume.

Quando estiver pronto para pré-formar o experimento, descanse suavemente o tecido seco na superfície do líquido no tanque. Assegure-se de que o tecido não comece a afundar antes do início do julgamento. Use uma colher limpa e livre de óleo para posicionar o tecido abaixo da plataforma articulada.

Use o interruptor de gatilho para iniciar simultaneamente a filmagem da zona de respingo com ambas as câmeras antes de configurar a colisão. Remova o tecido imediatamente após a colisão. Se os fragmentos de tecido sobre o impacto e os arranhões não puderem ser coletados manualmente vazios e limpar o tanque após cada ensaio para garantir que todo o tecido seja removido.

Para começar a preparar esferas quimicamente hidrofóbicas, coloque uma esfera de mentol de polióxido em um suporte acrílico. O posicionamento das esferas para um revestimento superficial é o aspecto mais difícil deste protocolo. O posicionamento é controlado com folhas acrílicas de camada que têm furos ligeiramente mais largos do que as esferas.

Pulverize a esfera com uma camada de base hidrofóbica de cerca de 15 a 30 centímetros de distância sem absorver a superfície da esfera. Em seguida, pulverize a esfera com o casaco de topo hidrofóbico de cerca de 15 a 30 centímetros de distância sem encharcar a superfície e deixá-la secar por um a dois minutos. Aplique mais dois ou três revestimentos superiores da mesma forma.

Deixe a esfera secar por 30 minutos para uso leve ou cerca de 12 horas para uso completo. Ao pré-formar testes de impacto deixe a esfera secar completamente após cada ensaio, em vez de enxaguar-a com álcool isopropílico. O revestimento hidrofóbico se degradará após cerca de 20 ensaios.

Para reutilizar esta esfera remova o revestimento com 99% de álcool isopropílico e reaplique a base e os casacos superiores como descrito anteriormente. Para iniciar a análise importe um vídeo de alta velocidade de evento splash em um software de análise de vídeo. Use as ferramentas de dimensionamento para definir o valor de escala em centímetros com base na área visível da régua.

Avance pelo vídeo para encontrar um quadro adequado mostrando ascensão da coroa de respingos e armadilha de ar. Meça a altura da coroa de respingo, a largura da cavidade e a profundidade da cavidade. Use a ferramenta de medição de ângulo para determinar o ângulo de separação.

Avance ainda mais no vídeo para encontrar um quadro adequado mostrando a formação do Jato worthington e medir a altura do Jato worthington. Por fim, use o recurso de rastreamento automático para extrair posição temporal e data de velocidade para o impactor. Se o rastreamento for interrompido, use o rastreamento manual até que o rastreamento automático possa ser retomado.

Aqui este procedimento foi utilizado para avaliar os efeitos do tecido no respingo de impactos verticais. A altura do respingo com uma ply foi amplificada em relação à altura do respingo sem tecido. A altura do respingo com dois plies era aproximadamente equivalente à altura do respingo sem tecido.

O respingo foi fortemente atenuado com três e quatro plies. Variação mínima foi observada entre os números de Weber para profundidade de cavidade, altura do solo de respingo e largura da cavidade de esferas que impactam uma única ply de tecido. As esferas posições verticais foram rastreadas debaixo d'água permitindo a observação de maiores reduções na velocidade subaquática a cada acolchoado de tecido.

Os investigadores devem prestar muita atenção à manutenção das condições experimentais sanitárias durante o experimento para obter resultados consistentes e válidos. Esta técnica não se restringe aos materiais aqui apresentados e pode estar empreendendo com materiais de funcionalidades e capacidades semelhantes. Com a introdução de um reservatório elevado, como uma seringa, este procedimento pode ser aumentado para investigações dos impactos verticais das gotículas líquidas em superfícies sólidas ou líquidas.

Este protocolo também pode ser pré-formado em uma escala maior para velocidades de impacto genéricas e uma faixa de aumento de parâmetros adimensionais que tudo vai bem para aplicações navais e industriais.