211service.com
De merkwaardige eigenschappen van rimpelingen op ijspegels
Een vreemd kenmerk van ijspegels is dat hun oppervlak soms gegolfd kan raken, zoals in de afbeelding hierboven. De golflengte van deze rimpelingen is altijd ongeveer 1 cm.
Ongeveer tien jaar geleden ontwikkelde Kazuto Ueno, nu aan de Université du Québec á Chicoutimi in Canada, een theoretisch model om dit fenomeen te verklaren.
Zijn denken gaat als volgt. IJspegels zijn bedekt met een dunne laag water dat is onderkoeld tot minder dan 0 ° C en dit stroomt onder de zwaartekracht. Wanneer deze laag bevriest, komt er warmte vrij die gemakkelijker kan wegstralen van het convexe deel van een rimpeling dan het concave deel. Dus ijs vormt zich bij voorkeur boven de convexe gebieden, waardoor ze groter worden.
Het oppervlak van ijspegels begint glad, maar elke kleine verstoring in de waterstroom eroverheen zorgt voor rimpelingen die snel bevriezen in dit landhuis. De golflengte van deze rimpelingen wordt bepaald door de warmtetransporteigenschappen van water dat over ijs stroomt, die ongeveer constant zijn en zo de constante golflengte verklaren. Voila!
Het model van Ueno doet echter drie andere voorspellingen over deze rimpelingen die tot nu toe nooit zijn waargenomen. Ten eerste dat de golflengte van rimpelingen zou moeten toenemen naarmate de hoek van het hellende vlak kleiner wordt; ten tweede dat de golflengte slechts geleidelijk toeneemt met een toename van de watertoevoer; en ten slotte dat de rimpelingen omhoog zouden moeten bewegen met ongeveer de helft van de snelheid van de gemiddelde groeisnelheid.
Vandaag onthullen hij en een paar vrienden de resultaten van hun inspanningen om deze voorspellingen te testen, zowel in numerieke simulaties als in laboratoriumexperimenten.
Het komt erop neer dat ze de voorspellingen bevestigen. De golflengte kan veranderen zoals hij voorspelde en rimpelingen bewegen langzaam omhoog, ook al stroomt het water naar beneden.
Er is een interessant gevolg van dit alles. In dit werk stroomt het water altijd onder de zwaartekracht. Maar wat gebeurt er als er ook aerodynamische krachten in het spel komen of, met andere woorden, hoe beïnvloedt wind de rimpelingen?
Dat is belangrijk omdat het licht kan werpen op het proces van bevriezing van vliegtuigvleugels en turbines, een aanzienlijk en mogelijk levensbedreigend probleem.
Ueno en co zeggen dat ze deze vraag onderzoeken en ons zullen laten weten wanneer ze erachter komen.
Referentie: arxiv.org/abs/1102.4890 : Numerieke en experimentele verificatie van een theoretisch model van rimpelvorming in ijsgroei onder onderkoelde waterfilmstroom
21 maart 2011 Correctie:
Kazuto Ueno schrijft dat de volgende zin in dit bericht niet zijn mening weergeeft: Wanneer deze laag bevriest, komt er warmte vrij die gemakkelijker kan wegstralen van het convexe deel van een rimpeling dan het concave deel. Dus ijs vormt zich bij voorkeur boven de convexe gebieden, waardoor ze groter worden.
In plaats daarvan geeft hij de volgende verklaring: elk convex deel van het water-lucht-interface is iets naar boven verschoven tegen dat van het ijs-water-interface, dan is de afgifte van de latente warmte groot aan de stroomopwaartse zijde van elk convex deel van het ijs -water interface. Dit betekent dat ijs aan de stroomopwaartse kant sneller groeit dan aan de stroomafwaartse kant van een convex deel van het ijs-watergrensvlak. Als gevolg hiervan neemt niet alleen de amplitude van de rimpels toe, maar gaan de rimpels ook omhoog met de tijd, zoals experimenteel is waargenomen.