New York Üniversitesi Courant Matematik Bilimleri Enstitüsü’ndeki bir araştırma ekibi, sıvıların akışını yöneten ve daha önce bilinen yasalarla çelişen yeni yasalar keşfetti. Pipetler ve metal borularla yapılan deneylere dayanan keşifleri, tıp ve mühendislik gibi alanlar için önemli etkileri olabilecek herhangi bir boru veya borudaki sıvı akışını tahmin edebilen evrensel bir matematiksel formülün türetilmesine yol açtı.{4 }
Son buluş, hem tıbbi hem de endüstriyel uygulamalar için büyük bir potansiyel barındırıyor.
Bir grup bilim insanı, eski bir teknoloji olan içme kamışı üzerinde deneyler yaparak sıvıların akışını yöneten yeni yasalar keşfetti. . Bu yeni keşfedilen anlayış, tıp ve mühendislik bağlamlarında sıvı yönetimini geliştirme potansiyeline sahiptir.
“Kamıştan yudum almanın, bir boru veya tüpten akışın direnci veya sürtünmesiyle ilgili önceden bilinen tüm yasalara meydan okuduğunu bulduk.” New York Üniversitesi Courant Matematik Bilimleri Enstitüsü’nde doçent ve Akışkanlar Mekaniği Dergisi’nde yer alan çalışmanın yazarı Leif Ristroph açıklıyor. “Bu bizi, herhangi bir boyuttaki bir borudan herhangi bir oranda hareket eden herhangi bir sıvı türü için işe yarayabilecek yeni bir yasa aramaya motive etti.”
Sıvıların ve gazların borular, tüpler, ve kanallar, kan dolaşımı veya petrolün boru hatları aracılığıyla taşınması gibi senaryolar dahil olmak üzere hem doğal hem de endüstriyel bağlamlarda yaygın bir olgudur.
“Boru akışı sorunu her zaman en temel ve sorunlardan biri olmuştur. Araştırmanın yürütüldüğü NYU Uygulamalı Matematik Laboratuvarı’nın yöneticisi Ristroph, akışkanlar mekaniği çalışmalarında önemli olduğunu ve bu alanın birçok yönden bu sorunu çözmek için geliştirildiğini açıklıyor.
Ancak çalışmalarında , Ristroph ve meslektaşları, basınç ve akış hızıyla ilgili bilinen tüm yasaların yalnızca belirli koşullar altında doğru olduğunu buldular.
Bu sonuca ulaşmak için, bir dizi deney gerçekleştirdiler; metalik borular için akış hızı ve basınç ölçümleri çeşitli sıvı türleri kullanılarak farklı uzunluklarda ve çaplarda. Amaç, bu faktörlerin borudan geçen akışın sürtünme direnciyle nasıl bir ilişkisi olduğunu belirlemekti.
“Verilerimiz, akış sürtünmesine ilişkin ünlü ve klasik yasaların yalnızca bazı akış hızı kombinasyonları için doğru olduğunu gösterdi ve boru boyutları,” diye açıklıyor Ristroph. “Mevcut yasaların iyi çalışmadığı koşulları belirledik ve burnumuzun dibinde iyi bir örnek bulduk: kamışla içmek.”
Kamışın çok eski zamanlarda kullanıldığı sanılıyor. 5.500 yıl önce Sümer’in erken Mezopotamya uygarlığında olduğu gibi. Ancak işleyişlerinin hidrodinamiği daha önce incelenmemişti.
Araştırmacılar, çalışmalarını çeşitli pipet türlerini (ince kahve karıştırıcı türü, normal soda türü ve geniş balonlu çay türü) içerecek şekilde genişletti ve içme sırasında tipik olan akış hızları için sürtünmeyi belirlemeye yönelik deneyler.
Kamışlar ve benzer boyuttaki borularla ilgili veriler, onları keşfeden bilim adamları Evangelista Torricelli ve Jean’in adını taşıyan bilinen yasaların hiçbiriyle eşleşmedi. Diğerleri arasında Léonard Marie Poiseuille.
Araştırmacılar, borunun ya çok kısa ya da çok uzun olduğunu ve akışın ya çok yavaş ya da çok hızlı olduğunu varsaydığı için her bir klasik yasanın başarısız olduğunu buldular. Kamışlar da dahil olmak üzere aradaki durumlar, akışın boru boyunca nasıl değiştiği ve akışın pürüzsüz ve laminer mi yoksa pürüzlü ve türbülanslı mı olduğu gibi karmaşık faktörleri içerir.
Bu tür etkilerin modellenmesi, ekibin tek bir matematiksel formül ve tahminleri, test edilen tüm borular ve pipetler ile tüm sıvılar ve akış hızları için deneysel ölçümlerle eşleşti.
“Evrensel bir formül, örneğin, anlama ve modellemede çok yararlı olabilir. Dolaşım sistemindeki kan akışı, ”diyor Ristroph. “Damarlarımız, atardamarlarımız ve kılcal damarlarımız temel olarak birçok farklı çap, uzunluk ve akış hızına sahip borulardır.”
Referans: “Orta Reynolds sayılarında sonlu uzunluktaki boruların hidrodinamiği”, Olivia Pomerenk, Simon Carrillo Segura , Fangning Cao, Jiajie Wu ve Leif Ristroph, Journal of Fluid Mechanics.
DOI: 10.1017/jfm.2023.99
Makalenin diğer yazarları arasında Courant doktora öğrencisi Olivia Pomerenk, NYU Tandon School of Engineering’de doktora öğrencisi olan Simon Carrillo Segura ve çalışma sırasında NYU lisans öğrencileri olan Fangning Cao ve Jiajie Wu.
Çalışma, Ulusal Bilim Vakfı tarafından finanse edildi.