Блог

Dec 05, 2023

Чтобы раскрыть новые законы течения жидкости, исследователи обращаются к трубочкам для питья.

23 марта 2023 г. Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

23 марта 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Нью-Йоркского университета

Команда исследователей открыла новые законы, управляющие потоком жидкостей, посредством экспериментов с технологией, которой тысячи лет: соломинкой для питья. Эти знания могут быть полезны для улучшения работы с жидкостями в медицинских и инженерных приложениях.

«Мы обнаружили, что глотание через соломинку противоречит всем ранее известным законам сопротивления или трения потока через трубку или трубку», — объясняет Лейф Ристроф, доцент Курантского института математических наук Нью-Йоркского университета и автор исследования. , который появляется в Журнале механики жидкости. «Это побудило нас искать новый закон, который мог бы работать для любого типа жидкости, движущейся с любой скоростью через трубу любого размера».

Потоки жидкостей и газов по трубам, трубкам и каналам встречаются во многих ситуациях в природе и промышленности, например, при кровотоке и в нефтепроводах.

«Проблема потока в трубах всегда была одной из самых основных и важных в изучении механики жидкости, и во многих отношениях эта область была разработана для решения этой проблемы», — объясняет Ристроф, директор Лаборатории прикладной математики Нью-Йоркского университета, где проводятся исследования. был проведен.

Однако в своей работе Ристроф и его коллеги обнаружили, что все известные законы, связанные с давлением и скоростью потока, точны только при определенных условиях.

Чтобы прийти к такому выводу, они провели серию экспериментов — измерений расхода и давления для металлических труб разной длины и диаметра с использованием нескольких типов жидкости. Целью было определить, как эти факторы связаны с сопротивлением трения потока, проходящего через трубу.

«Наши данные показали, что известные и классические законы трения потока точны только для некоторых комбинаций скоростей потока и размеров труб», — объясняет Ристроф. «Мы наметили условия, при которых существующие законы не работают, и нашли хороший пример прямо у себя под носом: питье через соломинку».

Считается, что соломинки для питья использовались еще 5500 лет назад в ранней месопотамской цивилизации Шумера. Но гидродинамика их работы ранее не изучалась.

Исследователи расширили свое исследование, включив в него несколько видов соломинок — тонкую мешалку для кофе, обычную соломинку для газировки и широкую трубочку для чая — и провели эксперименты, чтобы определить трение при скорости потока, типичной во время питья.

Данные о соломинках и трубках аналогичного размера не соответствовали ни одному из известных законов, названных в честь их первооткрывателей, ученых Евангелисты Торричелли и Жана Леонара Мари Пуазейля и других.

Исследователи обнаружили, что каждый классический закон не работает, поскольку предполагает, что труба либо очень короткая, либо очень длинная, а поток либо очень медленный, либо очень быстрый. Промежуточные случаи, включая строу, включают в себя сложные факторы, такие как то, как поток меняется по длине трубы и становится ли он гладким и ламинарным или грубым и турбулентным.

Моделирование таких эффектов позволило команде вывести единую математическую формулу, и ее прогнозы соответствовали экспериментальным измерениям для всех трубок и соломинок, а также для всех жидкостей и скоростей потока, которые были протестированы.

«Универсальная формула может оказаться очень полезной, например, для понимания и моделирования кровотока в системе кровообращения», — отмечает Ристроф. «Наши вены, артерии и капилляры представляют собой, по сути, трубы разного диаметра, длины и скорости потока».