Πώς να πετάξετε έναν σωλήνα
Ενώ αναλύει πανιά για αγωνιστικά γιοτ, μια ομάδα αεροδυναμικών σκόνταψε σε έναν τρόπο με τον οποίο η καθοδική δύναμη από τον αέρα που ρέει δίπλα από ένα περίεργο αντικείμενο μπορεί ξαφνικά να μετατραπεί σε μια ισχυρή ανύψωση προς τα πάνω. Συνδυάζοντας την κλασική αλλά συνήθως ανόμοια φυσική των φτερών του αεροπλάνου και των μπαλών του γκολφ, η εκπληκτική αναστροφή μπορεί να χρησιμεύσει για να δημιουργήσει έναν νέο τύπο μηχανικού διακόπτη που θα σβήνει ή θα ενεργοποιείται ανάλογα με το πόσο γρήγορα το υγρό ρέει πέρα από αυτό ή ίσως να σταθεροποιεί μηχανές όπως τα υποβρύχια ανεμόπτερα.
«Είναι ενδιαφέρον», λέει ο G.M. "Bud" Homsy, ειδικός στη δυναμική των ρευστών στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σιάτλ. "Δεν έχω δει ποτέ κάτι παρόμοιο."
Το αποτέλεσμα είναι εντυπωσιακό. Πάρτε ένα ασύμμετρο αμβλύ αντικείμενο, όπως έναν σωλήνα κομμένο στη μέση κατά μήκος και τοποθετήστε τον με στρογγυλεμένη πλευρά προς τα πάνω σε αέρα που ρέει. Σε χαμηλές ταχύτητες ανέμου, ο αέρας θα εκτραπεί προς τα πάνω από τη στρογγυλεμένη πλευρά του σωλήνα και θα σπρώξει τον σωλήνα προς τα κάτω - δίνοντάς του τη λεγόμενη αρνητική ανύψωση. Ωστόσο, εάν η ταχύτητα αυξηθεί πέρα από ένα κατώφλι, το αντικείμενο θα βιώσει ξαφνικά μια μεγάλη θετική ανύψωση προς τα πάνω, όπως ένα φτερό αεροπλάνου, όπως ο Patrick Bot του Ερευνητικού Ινστιτούτου Ναυτικής Ακαδημίας στη Βρέστη της Γαλλίας και ο Marc Rabaud του Πανεπιστημίου του Παρισιού-Νότου και οι συνάδελφοι αναφέρουν σε μια εφημερίδα που δημοσιεύεται στο Physical Review Letters.
Το αποτέλεσμα συγχωνεύει τη φυσική των σφαιρών και των φτερών του αεροπλάνου. Καθώς μια μπάλα μπαίνει προς τα εμπρός, ο αέρας πρέπει να χωρίζεται και να ρέει γύρω της. Σε χαμηλές ταχύτητες, η ροή δεν τυλίγεται σε όλη τη διαδρομή της μπάλας, αλλά διαχωρίζεται από αυτήν στο πιο φαρδύ μέρος της μπάλας, δημιουργώντας μια σειρά από στριφογυρίσματα και στροβιλισμούς που απλώνονται πίσω από την μπάλα σαν την ουρά ενός χαρταετού που χτυπάει. Αυτό το "ταραγμένο ξύπνημα" τραβάει την μπάλα, δημιουργώντας έλξη και επιβραδύνοντας την πρόοδό της προς τα εμπρός.
Αντίθετα, ένα φτερό - το οποίο είναι συνήθως 10 φορές φαρδύτερο από το παχύ του - παράγει μικρή έλξη και μεγάλη ανύψωση, για δύο λόγους. Η άνω επιφάνεια του φτερού καμπυλώνει προς τα πάνω, ενώ η κάτω επιφάνεια του είναι σχετικά επίπεδη. Επίσης, το φτερό κάθεται υπό γωνία με την πρόσθια άκρη του ελαφρώς ψηλότερα από το πίσω του. Ο συνδυασμός παραγόντων διασφαλίζει ότι ο αέρας ρέει πιο γρήγορα πάνω από το φτερό παρά κάτω από αυτό. Σύμφωνα με μια θεμελιώδη έννοια στη δυναμική των ρευστών που ονομάζεται αρχή του Bernoulli, ο ταχύτερα κινούμενος αέρας έχει χαμηλότερη πίεση από τον πιο αργά κινούμενο αέρα. Έτσι η πίεση κάτω από το φτερό υπερβαίνει την πίεση πάνω από αυτό και το φτερό ωθείται προς τα πάνω.
Στο πρώτο ρουζ, ο μισός σωλήνας των ερευνητών μοιάζει περισσότερο με μπάλα παρά με φτερό. Σε χαμηλές ταχύτητες ροής υφίσταται υψηλή αντίσταση και αρνητική ανύψωση. Αλλά καθώς αυξάνεται η ταχύτητα του αέρα, ο ανελκυστήρας αντιστρέφεται ξαφνικά και μεγαλώνει. Για να καταλάβει κανείς γιατί, πρέπει να επιστρέψει στη φυσική των μπάλων.
Οι μπάλες υποφέρουν από υψηλή αντίσταση επειδή παράγουν μεγάλες ταραχώδεις αφυπνίσεις. Ωστόσο, εάν μια μπάλα πετάει αρκετά γρήγορα, η έλξη πέφτει κατακόρυφα. Πάνω από μια ορισμένη ταχύτητα - που μετριέται με μια παράμετρο που ονομάζεται αριθμός Reynolds, που αντιπροσωπεύει το μέγεθος της μπάλας και το ιξώδες του αέρα - ο αέρας στην επιφάνεια της ίδιας της μπάλας γίνεται τυρβώδης. Αυτό το λεπτό στρώμα στροβιλισμού λειτουργεί ως λιπαντικό που επιτρέπει στον υπόλοιπο αέρα να ρέει ομαλά σε όλη τη διαδρομή γύρω από την μπάλα, ελαχιστοποιώντας το μέγεθος του τυρβώδους αφύπνισης και της οπισθέλκουσας - ένα φαινόμενο γνωστό ως κρίση οπισθέλκουσας. Από τη σχεδίασή τους, τα λακκάκια μιας μπάλας του γκολφ παράγουν ένα τέτοιο τυρβώδες στρώμα και ελαχιστοποιούν την αντίστασή του.
Η κρίση οπισθέλκουσας εξηγεί επίσης την ξαφνική ανύψωση του ασύμμετρου μισού σωλήνα των ερευνητών. Καθώς η ταχύτητα ροής υπερβαίνει τον κρίσιμο αριθμό του Reynold, ο αέρας ρέει ξαφνικά γύρω από ολόκληρο το αντικείμενο. Στη συνέχεια ακολουθεί τα περιγράμματα του τοξωτού σχήματος, έτσι ώστε ο αέρας να ρέει πιο γρήγορα πάνω από το αντικείμενο παρά κάτω από αυτό, παράγοντας θετική ανύψωση.
Για να δείξουν το αποτέλεσμα, οι ερευνητές έβαλαν τον ημισωλήνα τους σε μια δεξαμενή γεμάτη με νερό που ρέει αντί για αέρα και μέτρησαν τις δυνάμεις σε αυτό. Καθώς ανέβαζαν τη ροή, άρχισε η κρίση οπισθέλκουσας, η οπισθέλκουσα έπεσε κατακόρυφα και η δύναμη ανύψωσης αντιστράφηκε και εκτινάχθηκε. Οι ερευνητές οραματίστηκαν τη ροή δένοντας το νερό με μικροσκοπικά πλαστικά σφαιρίδια και παρακολουθώντας τα με φως λέιζερ, δείχνοντας ότι καθώς ξεκίνησε η κρίση οπισθέλκουσας, η αφύπνιση του αντικειμένου συρρικνώθηκε και η ροή του νερού τεντώθηκε ομαλά γύρω από το αντικείμενο.
Οι επιστήμονες σκόνταψαν πάνω από το φαινόμενο καθώς μοντελοποίησαν στρογγυλεμένα πανιά που ονομάζονται spinnaker που εκτοξεύονται μπροστά από βάρκες που τρέχουν κατά τον άνεμο. Παρατήρησαν περίεργες ανατροπές στον ανελκυστήρα, με αποτέλεσμα να διερευνήσουν περαιτέρω, λέει ο Bot. "Ίσως ένας από τους λόγους που [το εφέ] δεν έχει δει στο παρελθόν είναι ότι βρίσκεται λίγο ανάμεσα σε δύο πεδία εφαρμογής"—σύρετε και ανυψώστε—λέει.
Ο Christophe Clanet, φυσικός στην École Polytechnique στο Palaiseau της Γαλλίας, σημειώνει ότι οι ερευνητές δεν θα θεωρούσαν ποτέ τον ημισωλήνα πτέρυγα, επειδή, μεταξύ άλλων, είναι τοποθετημένος οριζόντια, κάτι που είναι το κλειδί για την παρατήρηση της εναλλαγής. Ένα φτερό, αντίθετα, είναι πάντα τοποθετημένο σε γωνία για να εγγυάται ότι παράγει ανύψωση, λέει. Ο Clanet σημειώνει επίσης ότι τέτοιες παραγνωρισμένες παραξενιές εμφανίζονται κατά καιρούς. "Είμαι έκπληκτος που είσαι έκπληκτος", λέει.
Το αποτέλεσμα μπορεί να χρησιμεύσει για την κατασκευή ενός απλού μηχανικού διακόπτη που θα μπορούσε, ας πούμε, να εισαχθεί σε έναν σωλήνα για να ελέγχει τη ροή του ρευστού μέσω αυτού. Ίσως το πιο εικαστικό, λέει ο Bot, τέτοιοι διακόπτες θα μπορούσαν να ελέγχουν και να σταθεροποιήσουν ένα αεροσκάφος ή ένα υποβρύχιο ανεμόπτερο με εντελώς μηχανικό τρόπο, χωρίς την ανάγκη για ηλεκτρικούς αισθητήρες και ηλεκτρικά συστήματα ελέγχου. Ένα τέτοιο παθητικό σύστημα μπορεί να αυξήσει την αξιοπιστία και την ασφάλεια. "Θα πρέπει να μπορείτε να φτιάξετε ένα πολύ στιβαρό σύστημα ελέγχου που δεν βασίζεται στην ηλεκτρική ενέργεια ή την ισχύ."
