Видео изнутри центрифуги показывает, что наше представление о физике жидкостей неполное

В научном мире центрифуга — привычный инструмент, используемый для разделения компонентов жидкостей под действием центробежной силы. Недавняя инициатива голландского художника Мориса Миккерса показала, что наше понимание физики жидкостей далеко не полное. Встроив камеру в центрифугу, он обнаружил несколько неожиданных явлений.

Неожиданный прорыв произошел на пересечении искусства и физики. Голландский художник Морис Миккерс превратил лабораторную центрифугу в миниатюрную киностудию, открыв невиданные ранее феномены жидкостей. Для реализации этого проекта он объединился с исследователями из Университета Твенте, также расположенного в Нидерландах.

Эта инновация, позволяющая получать захватывающие изображения вращающихся жидкостей, открывает новые перспективы, особенно в фармацевтическом и пищевом секторах, где детальное понимание этих процессов имеет решающее значение. Миккерс представил свое исследование на ежегодной встрече Отделения динамики жидкостей Американского физического общества в Вашингтоне 19 ноября этого года.

Зарождение инновационной идеи

Миккерс, имеющий опыт работы лаборантом, всегда был заинтригован процессом центрифугирования — распространенным способом отделения компонентов от жидкостей. Это увлечение заставило его задуматься о том, как будет выглядеть процесс разделения жидкостей изнутри машины. Его идея заключалась в том, чтобы создать систему, способную получать изображения непосредственно изнутри действующей центрифуги.

Однако достижение такой цели было сопряжено с немалыми трудностями. Центрифуги создают экстремальные силы, превышающие земное притяжение в 2 500 раз. В такой среде стандартное электронное оборудование не может выжить, что делает задачу Миккерса особенно сложной.

Чтобы справиться с этой задачей, ему пришлось внедрять инновации и адаптировать существующие технологии. Он обратился к 3D-печати, чтобы создать на заказ детали, способные выдержать экстремальные условия внутри центрифуги. Используя эту технику, Миккерс изготовил специальные компоненты, в том числе корпус для камеры, способный выдержать сильные центробежные силы.

Сама камера была тщательно подобрана и модифицирована для работы в таких суровых условиях. Она питалась от батарей, специально разработанных для обеспечения стабильного и долговечного питания, несмотря на сложности окружающей среды. Кроме того, Миккерс должен был обеспечить высокое качество изображения, несмотря на быстрые движения и сильные вибрации. Этот проект, объединивший инженерное, художественное и научное искусство, не только продемонстрировал техническую возможность съемки внутри центрифуги, но и проложил путь к новым методам исследования физических явлений.

Загадочные вихри бросают вызов моделям

Когда Миккерс и его команда из Университета Твенте впервые просмотрели изображения, полученные с помощью камеры, встроенной в центрифугу, они столкнулись с неожиданными результатами, которые противоречили общепринятым представлениям.

Вместо привычного плавного и постепенного разделения на изображениях был показан гораздо более хаотичный сценарий. Вместо спокойного разделения жидкости образуют интенсивные вихри и водовороты. Это наблюдение тем более удивительно, что оно происходит даже с относительно простыми жидкостями, такими как вода, содержащая взвешенные частицы. Эти вихри — не простые завихрения, а сложные и динамичные движения, что говорит о взаимодействии жидкостей, которое гораздо сложнее, чем предсказывает классическая теория.

Эти открытия заставили Миккерса и его команду пересмотреть фундаментальные принципы разделения жидкостей при центрифугировании. Существующие теории не могут объяснить образование этих сложных вихревых структур. Поэтому исследователи приступили к глубокому анализу этих явлений. Они использовали компьютерное моделирование для проверки различных гипотез о происхождении вихрей.

Одной из первых была отвергнута идея о колебаниях температуры внутри жидкости, которая казалась недостаточной для объяснения образования наблюдаемых вихрей. Тогда команда обратилась к другим потенциальным факторам, таким как механические колебания самой центрифуги. Они начали подозревать, что даже незначительные толчки, присущие работе машины, могут быть причиной этих неожиданных движений жидкости.

За пределами научного любопытства

Эта гипотеза, если она подтвердится, может не только пролить свет на малоизвестный аспект гидродинамики при центрифугировании, но и привести к улучшению конструкции и использования центрифуг в различных научных и промышленных областях (например, в пищевой и фармацевтической промышленности). В этих отраслях центрифуги необходимы для очистки и разделения компонентов продукта, как, например, при производстве вакцин или осветлении фруктовых соков.

Если вихри приводят к смешиванию компонентов, которые должны быть разделены, это может снизить эффективность центрифугирования, увеличить производственные затраты и даже поставить под угрозу качество конечного продукта.

Миккерс, осознавая потенциальное влияние своего открытия, планирует расширить рамки своего проекта на более широкий спектр жидкостей и условий центрифугирования. Цель проекта двоякая: во-первых, углубить научное понимание наблюдаемых явлений, а во-вторых, превратить эту инициативу в образовательную и исследовательскую платформу.

Миккерс хочет сделать эти открытия доступными и понятными не только для научного сообщества, но и для широкой общественности. Рассказывая о своем исследовании, он надеется пробудить интерес к науке и, возможно, вдохновить на будущие инновации.

ВИДЕО: Внутри центрифуги, новое движение жидкости в растворе сахарозы © Морис Миккерс