Warum fließt Wasser aus einer umgedrehten Flasche? (Rayleigh-Taylor-Instabilität)

Ich lese gerade das ausgezeichnete Buch An Indispensable Truth: How Fusion Power Can Save the Planet von Francis F. Chen und bin auf diese Erklärung gestoßen.

Die Rayleigh-Taylor-Instabilität

Wenn Sie eine Flasche Mineralwasser auf den Kopf stellen, fällt das Wasser heraus, obwohl der atmosphärische Druck von 15 lbs./sq.in sicherlich stark genug ist, um das Wasser zu tragen. Dies geschieht aufgrund einer Instabilität namens Rayleigh-Taylor-Instabilität, die in Abb. 5.5 dargestellt ist.

Wenn die Bodenoberfläche des Wassers vollkommen flach bliebe, würde sie durch den atmosphärischen Druck gehalten. Wenn es jedoch eine kleine Welle auf der Oberfläche gibt, drückt etwas weniger Wasser auf die Oberseite der Welle als anderswo, und das Gleichgewicht zwischen dem Gewicht des Wassers über der Welle und dem atmosphärischen Druck wird gestört. Je größer die Welligkeit wird, desto größer ist die Unwucht und die Welligkeit wächst schneller.

Schließlich wächst es zu einer großen Blase heran, die nach oben steigt und Wasser darunter herausfließen lässt. Wenn Sie das Ende eines mit Wasser gefüllten Strohhalms halten, fällt das Wasser nicht heraus, weil die Oberflächenspannung verhindert, dass sich die Grenzfläche so verformt.

Abbildung 5.5. Entwicklung einer Rayleigh-Taylor-Instabilität

Es scheint intuitiv und ein nettes interessantes Stück Physik zu sein, aber es ist seltsam, weil ich noch nie zuvor von dieser Erklärung gehört habe und mit etwas Suche dies der einzige Ort ist, an dem ich es finden konnte, was seltsam erscheint. Also ist es richtig? Ich meine, Chen ist einer der renommiertesten Plasmaphysiker, also zweifle ich nicht an seinen physikalischen Fähigkeiten, aber er schreibt für Laien und vielleicht über das hinaus vereinfacht, was technisch wahr ist, um das Prinzip der Instabilität besser zu demonstrieren?

HINWEIS: Ich entschuldige mich für die Verwendung von imperialen Einheiten im Text, als Brite bin ich viel mehr an SI-Einheiten gewöhnt, insbesondere in der Wissenschaft. Ich habe den Text jedoch wörtlich zitiert, um mögliche Verwirrung zu vermeiden und glaube, dass uns allen der SI-Wert für den atmosphärischen Druck von etwa 1 kg pro cm² bekannt ist.

Das ist sicherlich eine "volkstümliche" Erklärung, die ich schon einige Male in Gesprächen gesehen habe. Ich schaue mal, ob ich eine Referenz finden kann.

Antworten (1)

Was Sie zitieren, ist im Grunde die Definition der Rayleigh-Taylor-Instabilität. Siehe zB diesen Artikel in Physica D . Die Rayleigh-Taylor-Instabilität bezieht sich genau auf die lineare Instabilität der Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten, wenn eine weniger dichte Flüssigkeit auf eine dichtere drückt. Einzelheiten zur linearen Stabilitätsanalyse finden Sie in Wikipedia oder den meisten Lehrbüchern zur Strömungsmechanik.

Beachten Sie, dass die RT-Instabilität, da dies ein lineares Phänomen ist, nur gilt, wenn die Größe der Störung klein ist (wie klein sie ist, hängt von verschiedenen physikalischen Parametern ab: Viskosität, Dichte und Oberflächenspannung der beteiligten Flüssigkeiten). Wenn die Störung größer als ein bestimmter Betrag geworden ist, erwartet man, dass ein wirklich nichtlineares Phänomen übernimmt.

Danke, ich habe dies auch auf / r / physics gepostet, was den gleichen Konsens zu haben schien (obwohl die nette Referenz fehlte :)
Die Instabilität wurde offenbar auch experimentell untersucht . Ich habe einige Schwierigkeiten, die eigentliche PDF-Datei herunterzuladen, freue mich aber darauf, die Bilder zu sehen.
Ich habe das PDF hier hochgeladen - die Fotos sind etwas unklar, aber ziemlich beeindruckend. Das Papier ist maschinenbeschrieben mit handgezeichneten Grafiken und allem, eine echte Explosion aus der Vergangenheit. Die Tage vor LaTeX...
@Alex danke! Ich habe auf dem UBC-Server immer wieder eine Zeitüberschreitung festgestellt, aber Ihr Link hat großartig funktioniert. Das sind einige beeindruckende Fotos, wenn man bedenkt, dass es in den 70er Jahren gemacht wurde und er eine Badewanne mit 1,5 g nach unten beschleunigte.
Warum fließt Wasser aus einer umgedrehten Flasche? (Rayleigh-Taylor-Instabilität)
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