چه نیروهایی بر سیال در حال حرکت از طریق لوله وارد می شود تا آن را مارپیچی کند؟

چه نیروهایی بر ذره ای از سیال وارد می شود که باعث می شود به جای روان شدن یکنواخت، شروع به حرکت مارپیچی یا حرکت مارپیچ به سمت پایین لوله کند؟

ران دیپلد سن دیگو، کالیفرنیا، ایالات متحده

بازیگران اصلی اینرسی سیال، اصطکاک و چسبندگی بین لوله و مایع و هرگونه تلاطم ناشی از تغییرات در مواد یا دمای دیواره لوله هستند.

مایع و گاز هر دو سیال هستند و جریان آنها توسط معادلات ناویر-استوکس کنترل می شود که غیرخطی هستند. نقص‌های میکروسکوپی باعث ایجاد گرداب‌های بسیار بزرگ‌تر می‌شود، شبیه به این که چگونه یک کامیون با حرکت سریع می‌تواند پس از برخورد با سنگریزه به سمت دیگری پرواز کند.

ساده ترین عامل برای درک اینرسی تمام سیالی است که از گرانش یا پمپاژ در لوله حرکت می کند. در یک لوله کاملا کنترل شده و بدون اصطکاک، این لوله در همه جا صاف و مستقیم خواهد بود، حتی با پیچ خوردگی در لوله. این جریان آرام نامیده می شود.

اما هیچ چیز بدون اصطکاک نیست و نیروهای شیمیایی و الکتریکی مایع را به دیواره لوله جذب می کند. بنابراین، سیال در لبه ها با تماس با لوله کند می شود - این سیلندر سیال که کند می شود لایه مرزی نامیده می شود. اگر لوله کاملا صاف و بلند باشد، این در واقع به آرامش همه چیز کمک می کند، اما به محض اینکه یک منحنی وجود دارد، یک مارپیچ ایجاد می کند.

مایع به دلیل آن لایه مرزی تمایل دارد منحنی داخلی را در آغوش بگیرد - این اثر کواندا نامیده می شود. این را خودتان می توانید با سینک و قاشق ببینید. یک جریان کوچک و ثابت آب را از شیر آب خارج کنید، سپس به آرامی پشت قاشق را به داخل جریان ببرید. در غیاب اصطکاک و اثر کواندا، شما انتظار دارید که آب را مستقیما به پایین ببینید، اما در عوض، می بینید که سطح قاشق را در آغوش گرفته و با زاویه از نوک قاشق جدا می شود. بازگشت به لوله ما، به این معنی است که مایع مستقیما از لوله پایین نمی رود، به این معنی که شروع به چرخیدن می کند.

هر منحنی، شیر یا پمپی این مارپیچ را به شما می دهد.

و هیچ لوله ای کاملا صاف نیست. حتی شیشه های "صاف" دارای نقص های میکروسکوپی هستند. هنگامی که مایع به یک نقص کوچک برخورد می کند، یا حتی اگر تغییرات دمایی جزئی وجود داشته باشد - از آنجایی که سیال داغ چگالی کمتری دارد و بالا می رود - مقدار کمی منحرف می شود. این یک گرداب کوچک یا چرخش ایجاد می کند. اگر مایع به اندازه کافی آهسته حرکت کند، لایه مرزی به عنوان یک دمپر عمل می کند و اینها فقط از بین می روند. با این حال، هنگامی که سیال به سرعت بحرانی می رسد، میرایی نمی تواند ادامه یابد، و اینجاست که غیرخطی بودن ظاهر می شود.

از آنجایی که سیال نزدیک به مرکز لوله سریعتر از سیال در لبه ها حرکت می کند، این چرخش ها را به سمت پایین لوله کش می دهد. و مانند اسکیت‌بازی که در آغوشش می‌کشد، یک چرخش باریک و کشیده‌تر سریع‌تر و سخت‌تر می‌چرخد و انرژی را از مایع می‌کشد تا طولانی‌تر و باریک‌تر شود. این چرخش ها یکدیگر را خنثی نمی کنند. آنها فقط از یکدیگر تغذیه می کنند و به شکل های دیوانه می چرخند. شما چیزی را دریافت می کنید که به دلایل واضح، جریان آشفته نامیده می شود. شما ممکن است مارپیچ، اما همچنین کوبیدن و موج زدن غیرقابل پیش بینی را مشاهده کنید.

هر حباب گازی که به دام افتاده باشد، با چرخیدن وحشیانه به اطراف اوضاع را بسیار بدتر می کند.

بنابراین، چگونه می توانید این را متوقف کنید؟ کاهش سرعت مایع کمک می کند، اما معمولا جریان کمتری نمی خواهید. اگر کمتر از سرعت بحرانی تلاطم باشد، می‌توانید آن را از طریق یک لوله طولانی و مستقیم عبور دهید و به لطف کشیدن لایه مرزی، فرو می‌نشیند. در بهترین حالت، این طول تقریبا 15 برابر قطر لوله بعد از یک منحنی است، اما می تواند بسیار بیشتر باشد - این به ویسکوزیته مایع شما، زبری لوله و پیچیدگی لوله های شما بستگی دارد.

مانند یک اسکیت باز که در بازوهای خود می کشد، یک چرخش کشیده و باریک سریعتر می چرخد ​​و انرژی را از مایع می کشد تا رشد کند.

اگر واقعا نیاز فوری به جریان آرام داشته باشیم، از نرم کننده های جریان استفاده می کنیم. اینها لوله بزرگ را برای مدتی به تعداد زیادی لوله کوچکتر تقسیم می کنند یا فقط صفحات صاف با سوراخ هایی که به دقت طراحی شده اند را اضافه می کنند. اینها هر چرخش بزرگی را که بیشترین انرژی را دارند از بین می برند، زیرا چرخش ها بسیار بزرگتر از سوراخ ها هستند. و در لوله های کوچکتر 15 برابر قطر لوله فاصله بسیار کمتری دارد.

نقطه ضعف این است که شما با کاهش حجم لوله، سیال را کاهش می دهید - بنابراین، اگر نیاز به افزایش دبی نهایی دارید، باید با شدت بیشتری پمپ کنید، به این معنی، بله، تلاطم بیشتر در بالادست.

پس فقط لوله های بدون اصطکاک اختراع کنید تا همه اینها را حل کنید، و لطفا وقتی چک های حق امتیاز شما رسید، مرا به خاطر بسپارید.

برای پاسخ به این سوال - یا سوال جدیدی بپرسید - به lastword@newscientist.com ایمیل بزنید.

سؤالات باید جستارهای علمی در مورد پدیده های روزمره باشد و سؤالات و پاسخ ها باید مختصر باشد. ما حق ویرایش موارد را برای وضوح و سبک برای خود محفوظ می داریم. لطفا آدرس پستی، شماره تلفن روزانه و آدرس ایمیل را وارد کنید.

استفاده از ابزارهای هوش مصنوعی (مانند ChatGPT، Claude) برای نوشتن سؤال یا پاسخ ممنوع است و هرگونه ارسالی که با استفاده از ابزارهای هوش مصنوعی نوشته شده باشد، پس گرفته خواهد شد.

شرایط و ضوابط اعمال می شود.