Fizika kuhinjskega korita

V današnjem Znanstvenem BritOFFu se bomo posvetili pojavu, ki ga lahko opazujete doma, v kuhinjskem koritu. Če odprete pipo in je korito prazno, lahko opazite hidravlični skok! Francoska raziskovalna skupina je svojo študijo krožnega hidravličnega skoka opisala v članku, objavljenem v reviji Physical Review Letters.

Znanost / Znanstveni britoff

Računanje z valovi

Prvi analogni računalnik iz vodnih valov.

Oskar Mlakar

 / 5. 6. 2023

Hidravlični skok je pojav, ki se zgodi v tekočinah. Opazimo ga denimo pri curku vode iz pipe, ki pada v kuhinjsko korito. Pri tem se na površini korita najprej oblikuje območje hitro tekoče vode okoli curka, ki preide v območje počasneje tekoče vode. Med hitro in počasi tekočim območjem se pojavi val. Temu pravimo hidravlični skok. V osno simetričnem sistemu poznamo več stabilnih stanj, ki se pojavijo ob skoku. Nekatera so stacionarna, torej se val ne premika, druga pa so oscilirajoča. Pri teh val periodično niha okoli nekega polmera. Slednje je preučevala raziskovalna skupina.

Valove so preučevali z eksperimentom, v katerem je curek vode  padal pravokotno na ploščat disk. S spreminjanjem pretoka vode in velikosti diska so lahko dosegli več različnih stanj sistema. Sprva so opazili, da se pri visokem pretoku vode vedno oblikuje val, ki je stacionaren, torej se njegova lega ne spreminja s časom. Ob zmanjšanju pretoka so opazili prehodne pojave. Lega vala najprej nekaj sekund oscilira, nato pa se val ustali v stacionarno lego. Ob nadaljnjem zmanjševanju pretoka je sistem prešel v stanje z dvema stabilnima legama. Val oziroma skok je bil bodisi stacionaren bodisi je periodično osciliral.

Skupina je opazila, da obstajata dve periodi oscilacij glede na velikost diska. Označili so ju za osnovno in harmonično. Raziskovalci so obnašanje pojasnili z gravitacijskimi oziroma površinskimi valovi tekočine. Ne s tistimi, ki jih srečamo v kozmologiji, temveč valovi, ki se pojavijo na površini tekočine. Lastnosti valov določajo geometrija podlage in njene dimenzije. To je skupina preverila z matematičnim modelom, ki opisuje površinske valove in oscilacije hidravličnega skoka. Z modelom je pokazala, da se stabilna stanja sistema pojavijo, ko je perioda oscilacij skoka enaka enemu od nihajnih načinov površinskih valov.

To je prva študija, ki je podrobneje opisala krožni hidravlični skok. Skupina je pokazala, da oscilacije izvirajo iz sklopitve nihajnih načinov gravitacijskih valov in periode oscilacij hidravličnega skoka. To privede do stabilnega stanja sistema. S tem problemom so se ukvarjali že naravoslovci, kot sta Da Vinci in Rayleigh. Za pojav potrebujemo zelo specifične pogoje, denimo zelo tanek curek, zato ga je mnogo preteklih eksperimentov prezrlo ali označilo za šum.

Med površinskimi valovi je plaval Oskar.

Naslovna slika: kolaž avtorskih slik, Luciaroblego, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons, Wellcome Images, CC BY 4.0, via Wikimedia Commons