Muster in der laminaren Strömung von Leitungswasser

Dies ist ein einfaches Experiment, das jeder zu Hause durchführen kann. Öffnen Sie Ihren Wasserhahn so, dass das Wasser laminar fließt und der Strömungsquerschnitt beträchtlich dünn ist. Legen Sie Ihren Finger 3-4 cm unter die Strömung. Auf der Oberfläche des fließenden Wassers in der Nähe Ihres Fingers wird ein schönes wellenartiges Muster beobachtet. Das Ändern der Position des Fingers ändert die „Wellenlänge“ der Welle.

Das beigefügte Bild zeigt, wie dieses Experiment durchgeführt wird, obwohl die Auflösung nicht klar ist.

Was ist die Erklärung für dieses Phänomen? Wahrscheinlich wäre eine schwierigere Frage, ob es dafür eine intuitive Erklärung gibt. Vielen Dank!

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

E d ich t : Ich habe ein ähnliches Phänomen im Schwimmbad beobachtet ... wenn das Wasser still ist, bewegen Sie Ihre Hand langsam über die Wasseroberfläche. Es verursacht eine „Beule“ im Wasser, die in einem wellenartigen Muster vor Ihrer Hand zerfällt. Offensichtlich handelt es sich um dieselben Phänomene: Wasser, das auf die Hand fällt, oder eine Hand, die sich gegen das Wasser bewegt.

Die Antworten unten sind sehr interessant (Danke!). Und soweit ich sehen kann, werden sie immer noch diskutiert, was darauf hindeutet, dass das Phänomen nicht trivialer ist, als es scheint. Ich hatte früher eine Antwort akzeptiert, aber ich nehme sie jetzt zurück, da ich sie nicht vollständig verstanden habe. Freue mich auf weitere Diskussionen darüber. Am spannendsten wäre es, eine Antwort zu finden, die elementar ist: ohne auf komplexe Terminologien der Strömungsmechanik zurückzugreifen.

@Qmechanic Ich konnte kein Duplikat markieren. Ich wurde nicht gewarnt, bevor die Fähigkeit weggenommen wurde. physical.stackexchange.com/q/226441

Antworten (3)

Schlaue Beobachtung und sehr interessante Phänomene. Ich weiß mit Sicherheit, dass der Grund, warum sich die Wassersäule verengt, je weiter sie vom Wasserhahn entfernt ist, in der Beschleunigung durch die Schwerkraft und einer zunehmenden Flüssigkeitsgeschwindigkeit liegt. Je höher die Geschwindigkeit, desto niedriger der Druck. Da der Druck außerhalb überall entlang der Säule im Wesentlichen gleich ist, wird die Säule weiter unten in der Säule zu einem engeren Querschnitt gezwungen – einer Vena Contracta.

Aber was die Welligkeit betrifft, kann ich nur eine Hypothese anbieten:

Die Anwesenheit Ihres Fingers verursacht eine plötzliche Verlangsamung der Geschwindigkeit und damit einen Druckanstieg, der zu einer Unterbrechung und einer Art hydraulischem Umfangssprung führt. Ein Teil der Energie leitet die Strömung radial entlang der Oberfläche Ihres Fingers um, ein Teil der Energie wird jedoch in die Grenzschicht der Säule über Ihrem Finger abgeleitet und erzeugt zylindrische Oberflächenwellen, die sich in der langsameren Grenzschicht ein kurzes Stück nach oben ausbreiten, dann aber gedämpft werden. Normalerweise verwenden Oberflächenwellen die Schwerkraft als Rückstellkraft, aber in diesem Fall können die Rückstellkräfte Oberflächenspannung, Druckschwankungen oder beides sein.

Vielen Dank für Ihren Kommentar. Es ist eine plausible Erklärung, und ich mag die Idee, dass Druckschwankungen für die Wiederherstellungskraft verantwortlich sein könnten. Es könnte die folgende Beobachtung erklären: Wenn wir unseren Finger nach oben bewegen, nimmt die „Wellenlänge“ sowie der effektive Bereich des Wellenmusters zu. Es könnte passieren, weil die Dämpfung aufgrund des Drucks im Oberstrom geringer ist. Aber was ziemlich mysteriös ist, ist, wie dieses Wellenmuster zu einer stehenden Welle wird. Hast du eine Erklärung?
@anuraganshu Wenn es sich um eine stehende Welle handelt, die beobachtet wird, liegt wahrscheinlich eine Reflexion und Interferenz vor. Ich kann nicht sofort erklären, wie eine Reflexion auftreten konnte.
@ David2000 ok, du kannst gerne antworten

Was ist die Erklärung für dieses Phänomen?

"Wasserhammer" https://en.wikipedia.org/wiki/Water_hammer

Es gibt eine Studie von "Hasson and Peck", 1964, die die "Dickenverteilung in einer durch auftreffende Strahlen gebildeten Schicht" erklärt. Es ist im Grunde alles die Gleichung von Bernoulli; "Geschwindigkeit -> Druck -> Geschwindigkeit" und dann einfach Kontinuität. Eine weitere gute Quelle ist das Buch "Zhang, Zhengji, Freistrahlturbinen". Glücklicherweise können Sie diese speziellen Seiten (53-54) hier ansehen; http://www.springer.com/us/book/9783540707714 Es ist deutsch, aber die Gleichungen und ein Bild sind da.

Zu beachten ist, dass diese „Wasserschläge“ Druckwellen bei ausreichend hoher Strömungsgeschwindigkeit nicht mehr zurücklaufen können. Daher werden die Wellen größer, wenn der freie Fall kürzer ist, und sie werden kleiner und verschwinden schließlich, wenn der Abstand und damit die Geschwindigkeit zunimmt.

Ein sehr ähnliches Phänomen sind die von Hubert Chanson erklärten "Free surface wellenbildungen" in MEL-Strukturen. Oder der FR = 1 - 1,73 Hydraulischer Sprung. Diese Wellen nach diesem Sprung sind etwas anders, die Energie und Kontinuität können nicht mit dem gleichen Wasserstand erfüllt werden, also muss die Oberfläche Wellen in einer Weise erzeugen, dass die Energie- und Kontinuitätsmittelwerte erfüllt werden.

Ich bin mit dieser Antwort nicht ganz zufrieden; eine vollständigere Ansicht wird hier präsentiert; physical.stackexchange.com/questions/226441/…
Dieses Phänomen hat nichts mit dem sogenannten „Wasserschlag“-Effekt zu tun. Dies ist die sogenannte Rayleigh-Instabilität, die von der Oberflächenspannung angetrieben wird. Und nein, die Ableitung der Stabilitätsgleichungen erfordert die Euler-Gleichungen und kann sich nicht auf Bernoulli verlassen.

Die akzeptierte Antwort ist falsch: Die im Bild oben zu sehenden Oberflächenwellen sind auf die Instabilität von Rayleigh (oder Rayleigh-Plateau) zurückzuführen, siehe hier .

Nun, die Rayleigh-Instabilität ist nicht in der Lage, sich stromaufwärts zu bewegen. Du scheinst die Frage nicht einmal zu verstehen. bitte. Versuchen Sie dies einmal mit dem Wasserhahn und kommen Sie dann mit einer soliden Antwort zurück, die erklärt, wie der Finger stromabwärts den Fluss stromaufwärts stören kann.
Du liegst falsch. Dies ist eine inkompressible Strömung, bei der sich Störungen mit Sicherheit stromaufwärts ausbreiten.
Ja, ich habe nie recht. -Die Natur hat immer recht. Hast du das schon am Zapfhahn bei dir selbst ausprobiert?
Muster in der laminaren Strömung von Leitungswasser
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v