Впечатляващ течен фрактал, генериран от потопен въртящ се пумпал

Въртящ се пумпал, потопен в течност, може да създаде поразителна фрактална структура.

Фракталите са модели и структури, които се повтарят в по-малки мащаби при увеличаване на мащаба. Баванд Кешаварз (Bavand Keshavarz) и Микела Гери (Michela Geri) от Масачузетския технологичен институт изучават как една течност се разпада на капки, когато се смеси с друга, и неочаквано откриват нов вид фрактал в течност.

Първоначалният им експеримент се състои в добавяне на течности към резервоар с глицерин, в който е потопен въртящ се пумпал. Поради формата на пумпала добавената течност и глицеринът се завихрят заедно по по-сложен начин, отколкото например при смесване на чай и мляко с лъжица.

Кешаварз и Гери искали да проверят дали използването на въртящия се пумпал за смесване ще накара добавената течност да се фрагментира, или да се разбие на отделни капки, и какви могат да бъдат размерите на тези капки.

Тъй като е трудно да се видят капчици от една течност в друга, те решили да използват вещество, което ще направи капчиците по-лесни за преброяване и измерване. Когато изсипали този еластомер (полимер с високо еластични и вискозни свойства) в резервоара, той попаднал в глицерина, който се въртял около въртящия се пумпал. С всяко завъртане еластомерът се разтягал около пумпал на все по-тънки и по-тънки спирали. В крайна сметка той се разпаднал на много капки, всяка от които се втвърдила в топче в рамките на няколко минути.

^{Еластомер, завихрен в резервоар с глицерин с въртящ се пумпал. Кредит: Bavand Keshavarz}

Изследователите искат да измерят размерите на тези топчета и да ги преброят, затова отстранили горната част и оставили плавателните сили да изтласкат топчетата към повърхността на глицерина. Кешаварз разказва, че един ден оставили топчетата да се издигнат през нощта и това, което видели на сутринта, ги изненадало.

"Те образуваха наистина сложна, красива фрактална структура", разказва Кешаварз.

Видеоклипът на него и Гери за процеса печели конкурса "Галерия на движението на флуидите" на годишната среща на Отдела по динамика на флуидите на Американското физическо дружество в Индианаполис, Индиана, през ноември.

Те повтарят експеримента няколко пъти и установяват, че фракталният модел се образува, защото топчета с различни размери се издигат към повърхността с различна скорост. По-големите топчета се издигат най-бързо и първи достигат повърхността.

След тях по-малките топчета се издигат по-бавно, достигат до повърхността и се прикрепят към по-големите топчета в определени модели поради ефекта на Чириос (Cheerios effect) - явление, при което обектите се подреждат по определен начин, за да се сведе до минимум изкривяването на повърхността на течността. След това още по-малки топчета достигат повърхността и процесът на прикрепване се повтаря, като по този начин се създава самоподобен или фрактален модел.

_{Фрактал. Кредит: Bavand Keshavarz}

Този процес на смесване се различава от по-често срещаните видове смесване, при които се получават множество еднакви капчици, които се разпределят равномерно по цялата повърхност, уточнява Филип Мармотан (Philippe Marmottant) от Университета на Гренобълските Алпи във Франция.

Предвиждането на детайлите на фракталната структура, която биха направили определени течности и скорости на въртене, обаче би било много трудно, отбелязва Албан Соре (Alban Sauret) от Калифорнийския университет в Санта Барбара. Записването на уравнения, които предвиждат как глицеринът се върти около въртящ се пумпал, вече е трудно, отбелязва Соре.

Справка: Rolling Around a Spinning Top, Bavand Keshavarz, Michela Geri, DOI: https://doi.org/10.1103/APS.DFD.2021.GFM.P0042 

Източник: Spectacular liquid fractal generated by a submerged spinning top,  New Scientist