Магнитоиндуцированный Вращающийся Рэлея-Тейлора

Общая цель этого эксперимента — наблюдать влияние вращения на гравитационно нестабильную систему, состоящую из плотной жидкости, перекрывающей менее плотную жидкость. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы гидродинамики, например, о том, как стабилизирующий эффект вращения конкурирует и взаимодействует с дестабилизирующим эффектом гравитации. Главной особенностью этого метода является возможность создать стабильную вращающуюся двухслойную систему, а затем с помощью магнита манипулировать эффективным весом каждого слоя, вызывая нестабильность.

Именно этот аппарат используется для проведения эксперимента. Основными видимыми компонентами являются вращающаяся платформа для экспериментального танка, медный цилиндр, который его поддерживает, и сверхпроводящий магнит с отверстием при комнатной температуре. Цилиндр опускается в отверстие магнита и создает магнитное поле 1,8 тесла.

Эта схема содержит дополнительные сведения об устройстве. Вращение платформы производится внеосевым двигателем, который вращает проскальзывающий подшипник с отверстием в замочной скважине. Медный цилиндр прикреплен к приводному валу в форме ключа и опускается под действием собственного веса при снятии удерживающего штифта.

Полная комплектация включает в себя освещение и камеру с дистанционным управлением для съемки изображений. Установив бак на платформу, переместите приводной вал в самое нижнее положение. Убедитесь, что видеокамера будет иметь сфокусированный вид на эксперимент, который будет правильно освещен.

Чтобы подготовиться к эксперименту, поместите платформу и медный цилиндр в самое высокое положение. Зафиксируйте цилиндр на месте с помощью удерживающего штифта. Когда все остальное установлено, снимите резервуар, чтобы подготовить его к эксперименту.

На лабораторном столе начните готовить жидкости для резервуара. Для плотного слоя начните с 250 миллилитров дистиллированной воды комнатной температуры, и добавьте в воду примерно 6,25 грамма хлорида натрия. Компонентами светлого верхнего слоя являются 325 миллилитров дистиллированной воды комнатной температуры, а также хлорид марганца и красные и синие водные красители.

Добавьте небольшое количество флуоресцеина натрия для завершения приготовления. Теперь две жидкости готовы к эксперименту. Стратифицированные жидкости будут храниться в прозрачном цилиндрическом контейнере, который имеет люцитовую крышку, которая может в него поместиться.

Крышка имеет отверстия для выпуска жидкости и воздуха. В дополнение к емкости и жидкостям, имейте готовую к использованию плавучую лодку. Плавучий катер состоит из стенок из стирола на губчатом основании.

Дно его внутренней части должно быть выстлано прочной папиросной бумагой. Лодка должна иметь возможность легко помещаться в опытный танк, не касаясь бортов. Приступайте к следующим шагам только после того, как будете готовы к проведению эксперимента.

Начните с жидкости высокой плотности и начните добавлять ее в бак. Остановитесь, когда будет добавлено 300 миллилитров. Далее подготовьте коллекторный бак с зажимом и трубкой для жидкости низкой плотности.

Бак коллектора должен вмещать не менее 350 миллилитров, а зажим должен позволять контролировать поток жидкости. Добавьте жидкость низкой плотности в резервуар коллектора. Затем установите коллекторный бак над экспериментальным резервуаром, чтобы обеспечить выпуск жидкости вблизи поверхности жидкости с высокой плотностью.

Поместите плавучую лодку на поверхность жидкости высокой плотности. Отрегулируйте зажим на коллекторном баке, чтобы добавить жидкость низкой плотности в плавучую лодку, и добавьте около трех миллилитров в минуту. Со временем жидкость низкой плотности диффундирует через губку, образуя легкий слой жидкости над жидкостью высокой плотности.

По мере того, как лодка удаляется от границы раздела, постепенно увеличивайте скорость потока. Продолжайте наполнять до тех пор, пока резервуар коллектора не будет опорожнен. После того, как жидкость будет полностью откачана, медленно снимите плавучую лодку, чтобы свести к минимуму капли, и достаньте крышку для экспериментального резервуара.

Ставим крышку на место, и начинаем опускать ее в верхний слой жидкости. Остановитесь, когда глубина каждого слоя сравняется, и не останется захваченных пузырьков воздуха. В случае успеха будет два слоя жидкости одинаковой глубины с острой границей между ними.

Поверх люцитовой крышки также будет слой жидкости низкой плотности. Приступайте к быстрому выполнению эксперимента и осторожно переместите бак к аппарату. Поместите экспериментальный танк на платформу, при этом держите его подальше от магнита.

Включите двигатель и медленно увеличивайте скорость вращения, увеличивая напряжение источника питания до тех пор, пока не будет достигнута желаемая скорость. Как только желаемая скорость вращения будет достигнута, запустите видеозапись и встаньте в положение, чтобы снять удерживающий штифт. Когда все будет готово, снимите штифт и дайте баку опуститься в магнитное поле.

Эти изображения представляют собой моментальные снимки интерфейса жидкости для четырех различных скоростей вращения. Каждый столбец соответствует различному времени и увеличивается с шагом в полсекунды. На ранних временах, например, на отметке в одну секунду, для каждой скорости вращения происходит возмущение на границе раздела с доминирующей шкалой длины.

С увеличением скорости вращения ширина змеевидных конструкций уменьшается. Эти изображения получены в ходе серии экспериментов с различной вязкостью жидкости и фиксированной скоростью вращения. Каждый столбец соответствует другому времени.

Наблюдаемая шкала длины неустойчивости увеличивается по мере увеличения вязкости от более низких значений к более высоким. Если построить график доминирующей длины радиоволны как функции скорости вращения, становится наблюдаемым более низкий порог масштаба нестабильности. В этих данных для слоев жидкости с приблизительной вязкостью воды, превышающей скорость вращения около четырех радианов в секунду, нижний порог составляет примерно шесть миллиметров.

После освоения этой техники ее можно провести за один час, если она выполнена правильно.