Manyetik Kaynaklı Döner Rayleigh-Taylor İstikrarsızlık

Katı cisim dönüşüne döndürülebilen ve daha sonra gradyan bir manyetik alan uygulayarak Rayleigh-Taylor kararsızlığına indüklenebilen iki katmanlı yoğunluk tabakalı bir sıvı hazırlamak için bir protokol sunuyoruz.

Bu deneyin genel amacı, daha az yoğun bir sıvının üzerinde yer alan yoğun bir sıvıdan oluşan yerçekimi açısından kararsız bir sistem üzerindeki dönme etkisini gözlemlemektir. Bu yöntem, akışkanlar dinamiğinde, dönmenin dengeleyici etkisinin, yerçekiminin kararsızlaştırıcı etkisiyle nasıl rekabet ettiği ve etkileşime girdiği gibi temel soruların yanıtlanmasına yardımcı olabilir. Bu tekniğin ana özelliği, kararlı, dönen, iki katmanlı bir sistem oluşturma ve daha sonra her katmanın etkin ağırlıklarını manipüle etmek için bir mıknatıs kullanma ve kararsızlığı tetikleme yeteneğidir.

Bu, deney için kullanılan aparattır. Temel görünür bileşenler, deney tankı için dönen bir platform, onu destekleyen bir bakır silindir ve oda sıcaklığında delikli bir süper iletken mıknatıstır. Silindir, mıknatısın deliğine ve 1.8 tesla manyetik alanına iner.

Bu şema, düzenlemenin ek ayrıntılarını sağlar. Platformun dönüşü, bir anahtar deliği deliği ile bir kayma yatağını döndüren eksen dışı bir motor tarafından üretilir. Bakır silindir, anahtar şeklindeki tahrik miline bağlanır ve tutma pimi çıkarıldığında kendi ağırlığı altında alçalır.

Eksiksiz kurulum, aydınlatmayı ve görüntüleri yakalamak için uzaktan kumandalı bir kamerayı içerir. Tank platform üzerindeki konumundayken, tahrik milini en alt konumuna getirin. Video kameranın deneyin odakta olan ve uygun şekilde aydınlatılmış bir görünümüne sahip olduğundan emin olun.

Deneye hazırlanmak için platformu ve bakır silindiri en yüksek konumlarına yerleştirin. Silindiri tutma pimi ile yerine kilitleyin. Diğer her şey ayarlandıktan sonra, deneye hazırlamak için tankı çıkarın.

Bir laboratuvar tezgahında, tank için sıvıları hazırlamaya başlayın. Yoğun tabaka için 250 mililitre oda sıcaklığında damıtılmış su ile başlayın ve suya yaklaşık 6.25 gram sodyum klorür ekleyin. Hafif üst tabakanın bileşenleri, manganez klorür ve kırmızı ve mavi su izleme boyaları ile birlikte 325 mililitre oda sıcaklığında damıtılmış sudur.

Hazırlığı tamamlamak için az miktarda floresein sodyum ekleyin. İki sıvı artık deney için hazırdır. Tabakalı sıvılar, içine sığabilecek lucite bir kapağa sahip şeffaf silindirik bir kapta tutulacaktır.

Kapak, sıvı ve havanın geçmesine izin vermek için boşaltma deliklerine sahiptir. Konteyner ve sıvılara ek olarak, kullanıma hazır bir yüzdürme teknesi bulundurun. Yüzdürme teknesi, sünger taban üzerinde stiren duvarlardan oluşur.

İç kısmının alt kısmı güçlü kağıt mendil ile kaplanmalıdır. Tekne, deney tankına yanlara dokunmadan kolayca sığabilmelidir. Yalnızca denemeyi gerçekleştirmeye hazır olduğunuzda sonraki adımlarla devam edin.

Yüksek yoğunluklu sıvı ile başlayın ve tanka eklemeye başlayın. 300 mililitre eklendiğinde durun. Ardından, düşük yoğunluklu sıvı için bir kelepçe ve boru içeren bir başlık tankı hazırlayın.

Başlık tankı en az 350 mililitre tutmalı ve kelepçe sıvı akışının kontrolüne izin vermelidir. Başlık tankına düşük yoğunluklu sıvı ekleyerek devam edin. Ardından, yüksek yoğunluklu sıvı yüzeyinin yakınında sıvının serbest bırakılmasına izin vermek için başlık tankını deney tankının üzerine monte edin.

Yüzdürme teknesini yüksek yoğunluklu sıvı yüzeyine yerleştirin. Yüzdürme teknesine düşük yoğunluklu sıvı eklemek için başlık tankındaki kelepçeyi ayarlayın ve dakikada yaklaşık üç mililitre ekleyin. Zamanla, düşük yoğunluklu sıvı, yüksek yoğunluklu sıvının üzerinde hafif bir sıvı tabakası oluşturarak süngerden yayılır.

Tekne arayüzden uzaklaştıkça akış hızını kademeli olarak artırın. Başlık tankı boşalana kadar doldurmaya devam edin. Sıvı tamamen sifonlandıktan sonra, damlamayı en aza indirmek için yüzdürme teknesini yavaşça çıkarın ve deney tankının kapağını alın.

Kapağı yerine yerleştirin ve üst sıvı tabakasına indirmeye başlayın. Her katmanın derinlikleri eşit olduğunda ve sıkışmış hava kabarcıkları olmadığında durun. Başarılı olursa, aralarında keskin bir arayüz bulunan eşit derinlikte iki sıvı tabakası olacaktır.

Lucit kapağının üstünde ayrıca düşük yoğunluklu bir sıvı tabakası olacaktır. Deneyi gerçekleştirmek için hızlı bir şekilde ilerleyin ve tankı dikkatlice aparata taşıyın. Deney tankını mıknatıstan uzak tutarak platforma yerleştirin.

Motoru açın ve istenen hıza ulaşılana kadar güç kaynağı voltajını artırarak dönüş hızını yavaşça artırın. İstenen dönüş hızına ulaşıldığında, video kaydına başlayın ve tutma pimini çıkarmak için yerine geçin. Hazır olduğunuzda pimi çıkarın ve tankın manyetik alana inmesine izin verin.

Bu görüntüler, dört farklı dönüş hızı için akışkan arayüzünün anlık görüntüleridir. Her sütun farklı bir zamana karşılık gelir ve yarım saniyelik artışlarla artar. İlk zamanlarda, örneğin bir saniye işaretinde, her dönüş hızı için, baskın bir uzunluk ölçeğine sahip arayüzde bir bozulma vardır.

Dönme hızı arttıkça yılan benzeri yapıların genişliği azalır. Bu görüntüler, değişen akışkan viskozitesine ve sabit bir dönüş hızına sahip bir dizi deneyden alınmıştır. Her sütun farklı bir zamana karşılık gelir.

Kararsızlığın gözlenen uzunluk ölçeği, viskozite daha düşük değerlerden daha yüksek değerlere yükseldikçe artar. Baskın radyo dalgası uzunluğunu dönme hızının bir fonksiyonu olarak çizerek, kararsızlığın ölçeği için daha düşük bir eşik gözlemlenebilir hale gelir. Bu verilerde, suyun yaklaşık viskozitesine sahip sıvı katmanları için, saniyede yaklaşık dört radyan dönme hızlarının üzerinde, alt eşik yaklaşık altı milimetredir.

Bir kez ustalaştıktan sonra, bu teknik uygun şekilde yapılırsa bir saat içinde gerçekleştirilebilir.