Fotografie eines kreisförmigen hydraulischen Sprungs. Der Durchmesser des Strahls beträgt 0,9 mm.
© Goerlinger und al.
Wenn ein vertikaler Wasserstrahl auf eine ebene Oberfläche trifft - zum Beispiel den Boden eines Waschbeckens - bildet sich um den Aufprall eine kreisförmige Flüssigkeitswand. Dieses Phänomen des "hydraulischen Sprungs", schon lange beobachtet, kann schwingend werden: Die flüssige Wand öffnet und schließt sich mehrmals pro Sekunde und unter bestimmten Bedingungen setzen sich diese Schwingungen fort, solange das System nicht gestört wird. Ein Forscherteam des Instituts für Elektronik, Mikroelektronik und Nanotechnologie (IEMN, CNRS/Universität Lille/Universität Polytechnique Hauts-de-France) hat dieses Phänomen zum ersten Mal berichtet, die Parameter identifiziert, die seine spontane Entstehung steuern, und eine Erklärung seines Mechanismus vorgeschlagen.
Um den hydraulischen Sprung experimentell zu untersuchen, verwendeten die Forscher einen Wasserstrahl von weniger als 1 mm Durchmesser, der durch eine Nadel auf eine Plexiglasplatte gespritzt wurde. Die Bildung und Entwicklung des hydraulischen Sprungs um den Strahl wird mit einer Kamera beobachtet, die unterhalb der Platte platziert ist. Indem sie die Parameter des Experiments variierten, zeigte das Team, dass eine stabile Schwingung nur in einem Bereich des Durchflusses (zwischen 1,8 ml/s und 2,2 ml/s) entsteht, aber einmal eingestellt, ist ihre Periode unabhängig vom Durchfluss. Die Schwingungsperiode nimmt jedoch mit der Größe der verwendeten Platten zu, deren Radius von 1 bis 6 cm variierte.
Um diese Beobachtungen zu erklären, wurde ein theoretisches Modell der Wasserschicht auf der Platte entwickelt, in der der Sprung kleine Wellen (Schwerewellen) erzeugt. Dies ermöglichte zu zeigen, dass die Platte als eine Höhle für diese Wellen wirkt und dass die experimentell gemessene Schwingungsfrequenz des Sprungs immer einer Eigenfrequenz der Höhle entspricht, die vom Modell vorhergesagt wird.
Die Wasserschicht auf der Platte wirkt also wie ein Resonanzkörper für die Wellen, und es sind die periodischen Variationen der Wasserschichthöhe, die die Schwingungen des hydraulischen Sprungs verursachen. Das Modell prognostiziert ebenfalls die Korrelation zwischen der Schwingungsperiode und dem Radius der Platte, wie experimentell beobachtet.
Darüber hinaus zeigte die Studie, dass sich andere Schwingungsfrequenzen ergeben, wenn der Aufprall des Strahls auf der Platte dezentriert wird. Schließlich können durch die Verwendung von zwei gleichzeitigen Strahlen zwei synchronisierte Sprünge erzeugt werden, die in Gegenphase schwingen.
Diese Ergebnisse könnten dazu beitragen, die Effizienz von Wasserstrahlen für Reinigungs- oder Kühlprozesse in industriellen Verfahren zu verbessern, indem die Bildung des hydraulischen Sprungs vermieden wird. Auf einer grundlegenderen Ebene plant das Team, den Einfluss anderer Parameter wie die Viskosität des Fluids und die Oberflächenrauheit der Platte zu erforschen oder die Anzahl der Strahlen zu erhöhen.
Referenzen:
Oscillations and Cavity Modes in the Circular Hydraulic Jump.
Aurélien Goerlinger, Michael Baudoin, Farzam Zoueshtiagh und Alexis Duchesne.
Physical Review Letters, 8. November 2023.
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.194001
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