Демонстрация нестабильности Рэлея-Плато: 10 шагов

Неустойчивость плато Рэлея проявляется каждый раз, когда вы включаете кран; это то, как поток жидкости начинается как гладкий цилиндр и распадается на отдельные капли. При тщательной настройке вы можете получить невероятные визуализации этого явления! С помощью этих инструкций вы можете построить свой собственный простой демонстрационный аппарат для визуализации и количественной оценки нестабильности Рэлея-Плато, а также для демонстрации того, как длина, на которой поток разделяется, зависит от радиуса сопла.

Чтобы узнать больше о нестабильности Рэлея-Плато и демонстрационном дизайне, ознакомьтесь с сообщениями в нашем блоге по адресу

Это устройство можно использовать для обучения старшеклассников гидродинамике, изучению течения жидкостей и газов. Для получения дополнительной информации см. Шаг 10, где мы включили лабораторное руководство для вашего использования.

На втором изображении этого шага показана базовая схема нашей готовой демонстрации. Этот дизайн можно легко изменить в соответствии с вашими целями и материальными ограничениями, но это полезный способ визуализировать основные компоненты. Большинство материалов, перечисленных здесь, можно изменить или заменить в соответствии с вашими целями и ресурсами.

Основные компоненты:

Верхняя и нижняя платформы с отверстиями в центрах (для прохождения жидкости)
Опоры между верхней и нижней платформами, которые не препятствуют явлению
Плоский щит (чтобы скрыть феномен)
Водяной насос 1 бак для установки под нижнюю платформу 1 бак для установки на верхнюю платформу с отверстием в центре для сопла
Трубка достаточно длинная, чтобы пройти от нижней ванны к верхней.
Резервуар для перелива, закрепленный в отверстии в верхнем баке (для обеспечения точности измерений)
Как минимум 2 форсунки с отверстиями разного размера, которые можно прикрепить к резервуару для жидкости с помощью водонепроницаемого уплотнения.
Шкала рядом с потоком жидкости для количественного определения расхода жидкости
WaterPhone со стробоскопом [бесплатное приложение «Стробелайт» в магазине приложений]

Альтернативные материалы:

Вместо фанеры: ¼ "акриловый лист, 2 куска 12" x 18 "(более водостойкие, но их труднее разрезать).
Вместо деревянной доски толщиной 1 дюйм: что-нибудь гладкое и плоское, в котором можно просверлить отверстия, в том числе фанеру. Для большей устойчивости была выбрана более толстая древесина. Более светлые цвета полезны для визуализации.
Чтобы проверить влияние скорости жидкости: возьмите другую пластиковую ванну и бутылку с напитком и отрежьте бутылку с напитком до другой высоты. Изменение количества жидкости «над» соплом изменит скорость жидкости, выходящей из сопла.

Шаг 1. Обрежьте фанеру, чтобы сформировать верхнюю и нижнюю платформы

Если у вас есть доступ к лазерному резаку, вы можете использовать файл Adobe Illustrator или.dxf, прикрепленный ниже.

В противном случае вы можете отрезать фанеру по размеру с помощью пилы и проделать отверстия для шурупов с помощью дрели.

Шаг 2. Обрежьте ПВХ и заднюю панель по размеру

Отрежьте ПВХ до длины 20 дюймов. Отрежьте щит до 20 дюймов в высоту и не менее 10 дюймов в ширину.

Шаг 3: Добавьте отверстия для винтов

Добавьте отверстия для винтов в ПВХ на 0,5 дюйма с любого конца, используя сверло № 21 (или там, где могут быть отверстия на вашем L-образном кронштейне).

Добавьте отверстия для винтов на верхней и нижней платформах в соответствии с рисунком ниже (или там, где будут отверстия на вашем L-образном кронштейне), используя сверло № 21. Точно так же добавьте отверстие ½ дюйма для трубки.

Шаг 4: сделайте линейку

Если у вас есть доступ к устройству лазерной резки, вы можете использовать файл Adobe Illustrator или.dxf, прикрепленный ниже, и разместить его на верхней и нижней платформах. В противном случае вы можете взять имеющуюся линейку измерителя, отрезать ее до нужного размера (20 дюймов в длину) и использовать L-образные кронштейны, чтобы удерживать ее на месте.

Вы хотите, чтобы линейка находилась на одной линии с местом падения жидкости, чтобы обеспечить более точные измерения.

Шаг 5: соберите раму

Шаг 6: просверлите отверстия в пластиковых ванночках

Просверливание отверстий в пластиковых ваннах

В обеих ваннах просверлите отверстие диаметром ½ дюйма рядом с краем.

В одной ванне просверлите отверстие в центре дна, достаточно большое, чтобы в него поместилась бутылка с напитком.

Шаг 7: Подготовьте резервуар для жидкости и форсунки

Резервуар обеспечивает постоянное давление жидкости. Пока он остается полным, гидростатическое давление и, следовательно, скорость жидкости должны оставаться постоянными. Верхняя ванна ловит перелив.

Отрежьте дно бутылки с напитком. Просверлите отверстие в крышке сверлом №31. В другой крышке бутылки с напитком того же типа просверлите отверстие сверлом ¼ дюйма. Приклейте резервуар к верхней ванне, стараясь держать его как можно ровнее.

Шаг 8: объедините все системы

Установите верхнюю ванну на верхнюю платформу, а нижнюю - под нижнюю платформу. Присоедините трубку к насосу и поместите насос в нижнюю ванну. Пропустите трубку через нижнюю ванну, через трубу из ПВХ, через верхнюю платформу и ванну в резервуар.

Шаг 9: подставка для телефона (необязательно)

Если это помогает в последовательном сборе данных, создайте простую подставку для телефона, такую как подставка для телефона Laser Cut от Pitakire на Instructables [здесь].

Шаг 10: используйте эту демонстрацию в качестве лаборатории по физике в средней школе

Вы можете использовать прилагаемое лабораторное руководство, чтобы рассказать школьникам-физикам о нестабильности Рэлея-Плато. Гидродинамика - это раздел физики, который обычно не изучается до колледжа, но это лабораторное руководство делает концепцию доступной и, мы надеемся, привлечет и вдохновит старшеклассников на их карьеру в области STEM.