รูปหลายเหลี่ยมบนของเหลวไหลวน โพสต์เมื่อ:
20:51 วันที่ 21 พ.ค. 2549 ชมแล้ว:
50,563  ตอบแล้ว:
13
คุณคิดว่ารูปแบบในธรรมชาติเกิดขึ้นได้อย่างไร มันเป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นที่นักฟิสิกส์ในเดนมาร์กสามารถทำให้รูปทรงหลายเหลี่ยมที่มีไปจนถึงหกเหลี่ยมเกิดขึ้นได้บนผิวของน้ำ ลักษณะอันน่าประทับใจแบบนี้ซึ่งเกิดขึ้นจาก ความไม่เสถียร หรือ instability สามารถเอาไปโยงเข้ากับการศึกษาระบบซับซ้อน (complex system) ที่หลากหลายในฟิสิกส์ได้ อันรวมถึง การเกิดกระแสไหลวนของของไหลบนโลก กลไกของระบบไฮดรอลิกในอุตสาหกรรม การเกิดวอร์ทิซิส (vortices) และพายุทอร์นาโด
ในพลศาสตร์ของไหล หรือ fluid dynamics นั้น การไหลของของไหล (หมายถึงทั้งของเหลวและก๊าซ) แบบหมุนวน (rotating flow) ถือว่าเป็นเรื่องที่สำคัญเรื่องหนึ่ง การไหลแบบนี้สามารถทำให้เกิดโครงสร้างหรือรูปแบบที่มีลักษณะเฉพาะในของเหลว อย่างเช่น การหมุนวนขนาดเล็กที่เรียกว่า วอร์ทิซิส (vortices) [เป็นพหูพจน์ของ vortex -- ผู้แปล] โครงสร้างที่มีลักษณะเฉพาะนี้เป็นผลที่เกิดขึ่นจากลักษณะของระบบที่เรียกว่า ความไม่เสถียรของของไหล หรือ fluid instability [เมื่อมีสภาวะ instability ขึ้น ของไหลจะไม่สามารถคงสภาพที่เป็นอยู่ได้ ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงมากมาย จนมีโครงสร้างในของไหลแบบเฉพาะที่ยังมีพลวัตอยู่ เหมือนอย่างที่โครงสร้างหมุนวนขนาดเล็ก ๆ (vortices) เมื่อเกิดขึ้นแล้วถึงแม้โครงสร้างจะยังคงสภาพลักษณะอยู่อย่างนั้น แต่ก็มีการไหลวนอยู่ภายใน -- ผู้แปล] ด้วยเหตุที่โลกมีการหมุนรอบตัวเองอยู่ การไหลแบบหมุนวนนี้จึงเป็นที่น่าสนใจในทางธรณีฟิสิกส์ กระแสหมุนวนเกิดขึ้นได้ทั้งในอากาศและในมหาสมุทร นอกจากนี้มันยังเป็นที่น่าสนใจทางวิศวกรรมอีกด้วย อย่างเช่นปรากฏการณ์ที่พบในกลไกของระบบเทอร์โบไฮดรอลิก ยิ่งไปกว่านั้น ภาชนะที่มีการหมุนสามารถเอาไปใช้ในการศึกษาวอร์ทิซิสในการทดลอง และอาจจะได้ข้อมูลที่เกี่ยวกับปรากฏการณ์ธรรมชาติอย่างพายุทอร์นาโด
การทดลองเกี่ยวกับกระแสไหลของของไหลหมุนวนล่าสุด อาจกล่าวได้ว่าเป็นแบบของการทดลองที่ง่ายที่สุดแบบหนึ่ง โดยมีลักษณะคล้าย Newtons bucket หรือ ถังของนิวตัน ชื่อเรียกนี้ได้มาจากการที่ ไอแซค นิวตัน (Isaac Newton) เป็นคนเริ่มใช้ถังที่มีการหมุนในการอธิบายแรงหนีศูนย์กลาง (centrifugal force) ซึ่งผลักให้ของเหลวหนีจากศูนย์กลางไปที่ขอบถัง แต่ทว่า การศึกษาล่าสุดโดย โทมัส บอร์ (Tomas Bohr) และผู้ร่วมงาน จากมหาวิทยาลัย Technical University แห่งเดนมาร์ก ในเมืองคอนเกนส์ ลิงบี และ สถาบัน นีลส์ บอร์ (Niels Bohr Institute) ในกรุงโคเปนเฮเกน มีความแตกต่างจากถังของนิวตัน เพราะผนังของถังโดยรอบไม่ได้เคลื่อนที่ มีเพียงก้นถังเท่านั้นที่หมุนอยู่
ถังทำด้วยวัสดุทรงกระบอกสังเคราะห์ใส ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 40 เซนติเมตร และมีแผ่นจานกลมที่หมุนได้อยู่เบื้องล่าง (ดูรูปในความคิดเห็นที่ 1) บอร์และเพื่อนร่วมงานได้ใส่น้ำและเปิดสวิทช์ให้แผ่นจานหมุน เมื่ออัตราการหมุนมากพอ ได้เกิดปรากฏการณ์ที่สวยงามขึ้น คือมีรูปแบบของรูปทรงหลายเหลี่ยม ตั้งแต่สามเหลี่ยมไปจนถึงหกเหลี่ยม (แต่มุมเป็นแบบมน) ปรากฏที่ผิวของน้ำ (ดูรูปในความคิดเห็นที่ 2)
ชมภาพวิดีโอแสดงการหมุนของรูปแบบที่เกิดขึ้น http://dcwww.fysik.dtu.dk/~tbohr/RotatingPolygon/slideshow_3.html?1
หลังจากนั้น นักวิจัยยังได้ใช้ เอทธีลีน ไกลคอล (ethylene glycol) ใส่ในถังแทนน้ำ โดยเป็นของเหลวที่มีความหนืดเป็น 1.5 เท่าของน้ำ เมื่อทดลองในแบบเดียวกัน พวกเขาพบรูปแบบของรูปทรงสามเหลี่ยม (ดูรูปในความคิดเห็นที่ 3) และเป็นที่น่าสังเกตว่าในบางกรณี ก็มีวอร์ทิซิสเกิดขึ้นที่รอบ ๆ มุมของรูปทรงสามเหลี่ยมนี้ด้วย (ดูรูปในความคิดเห็นที่ 4)
ตามคำกล่าวอ้างของทีมงานจากเดนมาร์ก รูปหลายเหลี่ยมที่เกิดขึ้นเหล่านี้เป็นสมาชิกหนึ่งในคลาส (class) ของระบบที่ซึ่งการสูญเสียสมมาตรรอบแกนแบบเกิดขึ้นเอง (spontaneous breaking of axial symmetry) ได้นำไปสู่การเกิดรูปร่างที่มีการหมุน อันคงลักษณะอยู่ได้โดยไม่เปลี่ยนไปตามเวลา [อย่างในการทดลองนี้ รูปหลายเหลี่ยมที่เกิดขึ้นมีการหมุน แต่ขณะเดียวกันมันก็ยังคงรูปทรงที่เป็นอยู่ได้ -- ผู้แปล] ตัวอย่างของสมาชิกในระบบแบบนี้ ก็คือ การเกิดกระแสไหลวนของวอร์ทิซิสที่โบกขึ้นลงรอบแกนกลางของของเหลวในภาชนะทรงกระบอกในระบบ Couette-Taylor และระบบ classical "Kelvin-Helmhotz-Rayleigh" shears
นักวิทยาศาสตร์ยังไม่เข้าใจอย่างสมบูรณ์ว่า รูปทรงหลายเหลี่ยมนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร แต่ตอนนี้มีแผนจะทดลองซ้ำโดยใช้ถังที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางต่างออกไป และจะใช้ของเหลวที่มีความหนืดมากขึ้น การเปลี่ยนพารามิเตอร์เหล่านี้น่าจะให้ข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับการเกิดโครงสร้างแบบนี้ได้ กล่าวโดยบอร์
แหล่งข้อมูลและเอกสารอ้างอิง
ข่าวจาก physicsweb.org
http://www.physicsweb.org/articles/news/10/5/8/1
เอกสารวิชาการ Phys. Rev. Lett. 96 174502
http://link.aps.org/abstract/PRL/v96/e174502
หรือ arXiv: physics/0511251 v1
http://132.236.180.11/PS_cache/physics/pdf/0511/0511251.pdf
|
จำนวน 8 ความเห็น, หน้า่ | -1- ความเห็นเพิ่มเติมที่ 1 21 พ.ค. 2549 (20:52)
 การทดลองนี้ใช้วัสดุสังเคราะห์โปร่งแสงที่เรียกว่า Plexiglas เป็นทรงกระบอกที่มีรัศมี 19.4 ซม. โดยมีจานกลมที่หมุนได้โดยมอเตอร์ [รูปจาก Phys. Rev. Lett. 96 174502]
|
ความเห็นเพิ่มเติมที่ 2 21 พ.ค. 2549 (20:53)
 ตัวอย่างของรูปหลายเหลี่ยมที่เกิดขึ้นบนผิวน้ำ โดยมองจากด้านบน (a) สามเหลี่ยม (b) สี่เหลี่ยม และ (c) ห้าเหลี่ยม [รูปจาก Phys. Rev. Lett. 96 174502]
|
ความเห็นเพิ่มเติมที่ 3 21 พ.ค. 2549 (20:53)
 สามเหลี่ยมเกิดขึ้นเองบนผิวของเอทธีลีน ไกลคอล ในภาชนะทรงกระบอกที่มีจานหมุนอยู่ข้างล่าง [รูปจาก Phys. Rev. Lett. 96 174502]
|
ความเห็นเพิ่มเติมที่ 4 21 พ.ค. 2549 (20:54)
 รูปสี่เหลี่ยมหมุนอยู่บนน้ำ สังเกตได้ว่าวอร์ทิซิส หรือกระแสหมุนวนเล็ก ๆ เกิดขึ้นรอบ ๆ นอกมุมของสี่เหลี่ยม [รูปจาก Phys. Rev. Lett. 96 174502]
|
ความเห็นเพิ่มเติมที่ 5 24 พ.ค. 2549 (19:23) น่าคิด... WIT (IP:124.120.238.102,,)
ความเห็นเพิ่มเติมที่ 6 25 พ.ค. 2549 (21:29) มนุษย์นี่ไม่เคยหยุดนิ่งเลยนะครับ มีอะไรใหม่ๆเกิดขึ้นเสมอ
 ความเห็นเพิ่มเติมที่ 8 21 ส.ค. 2549 (13:13)
ข่าวเรื่องนี้ใน Scientific American ฉบับประจำเดือนสิงหาคม ปี 2006 เอามาลงครับ เลยคัดลอกมาให้อ่านกันเล่น
เนื้อข่าวเขียนโดย JR Minkel ดังนี้ครับ
Isaac Newton spun a bucket of water like a top and observed a round vortex. Now Danish researchers have squared that circle by rotating just the bottom of a water-filled bucket. As they dialed up the speed to a few
spins per second, the vortex adopted a trefoil shape, then became square, pentagonal and hexagonal. The sluggish outer layer of water may be amplifying small variations in the radius of the vortex, creating corners, says bucket spinner Tomas Bohr of the Technical University of Denmark (and grandson of Niels), whose group reports in the May 5 Physical Review Letters. Storms are similar in principle to a semistationary bucket, which may explain structured hurricane eyes, and the underlying principle might apply to bathtub drains, too, Bohr says. Ive never seen a triangular bathtub vortex, he adds, but who knows?
|
จ้อ   
ร่วมแบ่งปันความรู้และความเห็นแล้ว 1411 ครั้ง - ได้รับดาวแล้ว 239 ดวง - โหวตเพิ่มดาว
ความเห็นเพิ่มเติมที่ 9 21 ส.ค. 2549 (18:43) ทำให้เราเข้าใจธรรมชาติมากขึ้น
|
