Дослідження впливу обертання на динаміку рідини

Чернецький ІгорЗавідувач відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «Мала академія наук України», кандидат педагогічних наук, голова Всеукраїнської громадської організації «Асоціація учителів фізики “Шлях освіти – ХХІ”». Наукові інтереси: моделювання освітніх та навчальних середовищ загальноосвітніх і позашкільних навчальних закладів з урахуванням трендів розвитку сучасних засобів навчання.
Терлецька КатеринаДокторка фізико-математичних наук, завідувачка лабораторії математичних наук НЦ МАН України
ВисокийБезпечно,але під наглядом керівникаНа рівні наукового обладнанняДо 1 години
Iнструментальна цифрова дидактикаScienceГеографіяДинаміка рідин та газівДослідження кліматуМеханікаФізика

Резюме

Метою роботи є дослідження характеру поведінки рідини, яка перебуває в обертовому русі, та розрахунок швидкостей обертання установки, для яких обертання впливатиме на рух рідини.

Попередня інформація

У цій роботі ми спробуємо з'ясувати, на яких масштабах атмосфера, океан чи наш лабораторний експеримент "відчувають ефекти обертання". Припустимо, що типові горизонтальні швидкості (атмосферні чи океанічні) дорівнюють U, а типова просторова відстань становить L. Тоді часовий масштаб руху становить L/U. Якщо число Россбі R0 набагато більше, ніж 1, то часовий масштаб руху малий відносно періоду обертання, та обертання не вплине суттєво на рух. Якщо ж R0 набагато менше одиниці, то рух буде "відчувати" обертання.

Обладнання

Обертова платформа, резервуар з квадратною основою, харчові барвники.

Експериментальна процедура

  1. Візьміть резервуар із квадратною основою та встановіть його на обертову платформу.
  2. Наповніть його водою до рівня 20 см.
  3. Закріпіть відеокамеру над резервуаром так, щоб увесь резервуар потрапляв у кадр.
  4. Увімкніть підсвітку та розпочніть відеозапис.
  5. У кількох місцях внесіть харчовий барвник та створіть хаотичний рух у резервуарі (проведіть рукою або лінійкою по воді). Зупиніть запис.
  6. Замініть воду в резервуарі.
  7. Увімкніть обертання з частотою RPM= 5 та зачекайте 10 хв.
  8. Увімкніть запис та внесіть у кількох місцях барвники різного кольору. Зупиніть запис.
  9. Проведіть аналогічні дії для RPM=15,25.
  10. Якщо немає можливості провести дослід, завантажте записи з ресурсу.

Аналіз отриманих даних

  1. Завантажте записи на ПК.
  2. З'ясуйте тип турбулентності для запису з нерухомого резервуару (тривимірна чи двовимірна).
  3. З'ясуйте тип турбулентності для записів з рухомого резервуару.
  4. Розрахуйте число та радіус Россбі для кожного з випадків, вважаючи, що горизонтальні швидкості U =1 см/с, а розміри резервуара 39,5 см x 39,5 см. Результат занотуйте до таблиці.

Таблиця результатів. Число та радіус Россбі для різних швидкостей обертання.

RPM     5 (об/хв) 15 (об/хв) 20 (об/хв) 25 (об/хв) 30 (об/хв)
L (м)
Ro
Lro  (м)
   

Напрями розвитку

Прийнявши попередні характерні розміри установки, знайдіть ті значення швидкостей обертання, за яких обертання перестає впливати на динаміку течій у резервуарі.