Summary
Este protocolo demonstra a configuração básica experimental para experimentos de entrada de água com esferas em queda livre. Métodos para a alteração da superfície líquida com tecidos penetráveis, a preparação das esferas quimicamente não-umectante e passos para a extração de dados e visualização de respingo são discutidos.
Abstract
Impactos verticais das esferas na água limpa tenham sido objecto de numerosas investigações de entrada de água, caracterizando a formação de cavidade, respingo coroa ascensão e Worthington jato de estabilidade. Aqui, podemos estabelecer protocolos experimentais para analisar a dinâmica do respingo quando Lisa em queda livre das esferas de molhabilidade variada, massa e diâmetro impacto superfície livre de um pool profundo líquido modificado por finos tecidos penetráveis e surfactantes líquidos. Investigações de entrada de água fornecem experiências acessíveis, facilmente montadas e executadas para estudar a complexa mecânica dos fluidos. Aqui apresentamos um protocolo ajustável para caracterizar a altura inicial, métricas de separação de fluxo e cinemática do pêndulo e resultados representativos que podem ser adquiridos se reproduzindo nossa abordagem. Os métodos são aplicáveis quando dimensões respingo característicos permanecem abaixo de aproximadamente 0,5 m. No entanto, este protocolo pode ser adaptado para maiores alturas de lançamento do pêndulo e as velocidades de impacto, que um bom augúrio para traduzir resultados naval e aplicações industriais.
Introduction
A caracterização da dinâmica de respingo decorrentes de impactos verticais de objetos sólidos em um líquido no fundo da piscina1 é aplicável ao militares, navais e industriais aplicações tais como mísseis balísticos água entrada e mar superfície desembarque2, 3,4,5. Os primeiros estudos de entrada de água foram realizados bem há mais de um século de6,7. Aqui, podemos estabelecer protocolos claros em profundidade e melhores práticas para alcançar resultados consistentes para investigações de entrada de água. Para auxiliar o delineamento experimental válido, um método é apresentado para a manutenção das condições sanitárias, alteração das condições interfaciais, controle dos parâmetros adimensionais, modificação química da superfície do pêndulo e visualização de cinemática de respingo.
Impactos verticais das esferas de hidrófilo em queda livre sobre o fluido quiescente não mostram nenhum sinal de ar-armadilha em baixa velocidades8. Achamos que a colocação de tecidos penetráveis finas em cima da superfície do fluido provoca formação de cavidade devido ao fluxo forçado de separação1. Uma quantidade insuficiente de tecido na superfície amplifica espirrando em toda uma gama de números moderados de Weber, enquanto camadas suficientes atenua espirrando como esferas superar arraste no fluido de entrada1. Neste artigo, vamos explicar os protocolos adequados para estabelecer os efeitos de força material sobre a entrada de água das esferas hidrofílicas.
Cavidade formando salpicos de hidrofóbicos pêndulos mostram a ascensão de uma coroa de respingo bem desenvolvido, seguido da saliência do jato principal elevada acima da superfície, quando comparados com suas contrapartes de água-gosto8. Aqui, apresentamos uma abordagem para alcançar a repelência de água a modificar quimicamente a superfície hidrofílica esferas.
Com o advento de câmeras de alta velocidade, caracterização e visualização de respingo tornaram-se mais atingíveis. Mesmo assim, as normas estabelecidas no campo chamam para o uso de uma única câmera ortogonais ao eixo principal da viagem. Nós mostramos que o uso de uma câmera de alta velocidade adicional para vistas aéreas é necessário para julgar esferas strike a localidade pretendida.
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Protocol
1. Configurando o experimento para impactos verticais
- Encher um tanque de água transparente de dimensões aproximadamente 60 cm x 30 cm x 36 cm (comprimento x peso x profundidade) com 32 L de água e montar uma medidor régua (escala visual) verticalmente dentro do recipiente, tal que a base fica no topo do fluido, como visto na Figura 1a.
Nota: Profundidade e largura do tanque devem ser maiores que 20 vezes o diâmetro das esferas maiores usado no experimento para efeitos de parede sejam negligenciáveis9. Velocidades de entrada maiores do que os descritos aqui vai exigem maior profundidade do tanque. A escala visual usada para determinar a altura de queda e calibração de software de rastreamento é discutida na seção 7. - Coloque uma régua de medidor adicional sob a água, que pode agir para ampliar as dimensões. Esta escala visual é usada para calibrar o software para medições subaquáticas de rastreamento.
- Construa uma plataforma articulada ('mecanismo de liberação') que suspende esferas acima o fluido e gira para baixo, para obter a aceleração tangencial maior que gravidade no local do pêndulo, quando liberado, como visto na Figura 1a. Rotação rápida é alcançada conectando-se a plataforma articulada para o centro do componente suporte usando elásticos. O resultado é um pêndulo sem suporte e sem rotação.
Nota: A plataforma é facilmente fabricada com impressora 3D. - Para testes de impacto, coloque o polegar para a base da plataforma articulada e girá-la 90° para uma posição horizontal para a colocação de esferas acima do líquido.
Nota: Retração é acionada quando o polegar é lançado da base da plataforma. - Fixe o mecanismo de liberação de um stand de retorta, tais que o dispositivo pode ser ajustado para várias alturas.
- Lugar retorta ficar ao lado do tanque... tal que o mecanismo de liberação é dentro do mesmo plano de profundidade como a escala visual. Adicione um peso para a base do pedestal da retorta conforme necessário para impedir a derrubada.
- Ajuste o mecanismo de liberação para a altura de queda máxima de experimental desejado. Isto é necessário para visualização ideal inicial, conforme discutido na seção 6 e assegura que as características de respingo de interesse estão sempre dentro do quadro de visualização da câmera.
- Anexe uma luz multi conduzida a um braço articulado, tal que a luz é montada sobre a câmera, olhando para baixo para a zona de respingo. Luz ambiente sozinha é insuficiente para iluminar a cena com as altas taxas de quadros necessários para extrair cinemática de respingo.
Nota: Nunca podemos ter muita luz. - Coloque uma tela preta na parte de trás do tanque de água para ajudar a visualização splash e cavidade, como visto na Figura 2.
- Coloque um proteção de vidro absorvente de choque, como uma esponja de célula fechada, na parte inferior do tanque de água e afixo com pesos para evitar desgaste.
Nota: A altura do fluido no tanque deve ser tal que a esfera não interage com o absorvente de choque antes da pitada de cavidade de ar fora de10.
2. parâmetros adimensionais de controle
- Realizar experimentos com esferas lisas de vários diâmetros e massas. Para isso, polyoxymethylene (por exemplo, Delrin) moeda-fazendo bolas funcionam particularmente bem e não tem nenhuma linha de parte do molde. Medir massas e diâmetros com uma balança analítica e compasso de calibre Vernier, respectivamente.
- Realizar experimentos sobre uma escala das alturas H para gerar velocidades de impacto
onde 
m/s2 é a aceleração da gravidade. Meça a altura com a escala visual dentro do quadro da câmera.
Nota: Use o recurso de Rastreamento automático na ferramenta de análise de vídeo conforme discutido na seção 7 para medir velocidades de impacto. - Realizar experimentos com fluidos misturas de água e surfactantes adequados (por exemplo, glicerina ou sabão) para modificar a tensão superficial. Medir a tensão superficial com um tensiómetro de superfície.
- Calcular números de Reynolds
e números de Weber 
, onde ρ é a densidade do fluido, D é o diâmetro da esfera, μ é a viscosidade dinâmica do fluido e σ a tensão superficial do líquido.
onde 
m/s2 é a aceleração da gravidade. Meça a altura com a escala visual dentro do quadro da câmera.
e números de Weber 
, onde ρ é a densidade do fluido, D é o diâmetro da esfera, μ é a viscosidade dinâmica do fluido e σ a tensão superficial do líquido.3. manter condições sanitárias experimentais
- Realizar experimentos usando luvas de nitrilo industrial e recuperar as esferas do tanque de água com uma colher higienizada.
Cuidado: A pele naturalmente produz óleos que podem afetar a molhabilidade dos pêndulos e manchar o fluido condições. - Limpar as esferas com 99% de álcool isopropílico e deixe para secar por 1 min entre as provações para impedir a influência das impurezas.
- Se usar tecidos que se quebram durante o impacto, substitua a água no tanque após cada julgamento se sucatas não podem ser coletadas manualmente.
- No final do experimento, esvazie o tanque e deixe-o secar.
- Antes de um experimento, limpe o reservatório com água para eliminar as impurezas.
4. a superfície em camadas com tecidos penetráveis
- Separe o tecido em quadrado ou redondo plies em preparação para testes de impacto. Use um paquímetro para obter espessura compactada do tecido.
Nota: A espessura do tecido mudará quando molhado. - Delicadamente, descanse o tecido seco sobre a superfície da piscina líquida. Certifique-se que as lonas não iniciar descida antes do lançamento do pêndulo e substituir tecidos imediatamente após a colisão.
- Use uma colher higienizada para posicionar o tecido abaixo da plataforma articulada antes de liberar as esferas.
- (Opcional) Realizar os seguintes testes usando uma amostra de tecido para a caracterização do material.
- Realizar testes de tração usando um testador de resistência à tração para determinar o módulo de elasticidade da amostra.
- Use um microscópio digital para obter uma visão microscópica do tecido e determinar o comprimento da fibra usando uma ferramenta de imagem.
5. preparar esferas quimicamente hidrofóbicas
- Pulverizador a base hidrofóbica revestir aproximadamente de 15 a 30 cm da superfície da esfera. Evite encharcar a superfície. Deixe secar por 1\u20122 min antes de adicionar revestimentos adicionais. Aplica duas demãos de base mais. Deixe secar por 30 min antes de aplicar o revestimento superior.
Nota: O número de superfície adicional pode variar com base nas recomendações do fabricante do produto. - Pulverizador a hidrofóbico top coat aproximadamente de 15 a 30 cm da superfície. Evite encharcar a superfície. Deixe secar por 1 – 2 min antes de adicionar revestimentos adicionais. Aplica duas ou três mais revestimentos de top coat. Deixe para secar por 30 min para uso de luz e 12 h para uso completo.
Nota: O número de camadas adicionais de superfície pode variar com base nas recomendações do fabricante do produto. - Depois de aproximadamente 20 testes, o revestimento hidrofóbico torna-se comprometido devido ao manuseio excessivo. Remover o revestimento com 99% de isopropil e repita as etapas 5.1 e 5.2.
6. sincronização de câmeras para visualização de respingo
- Coloque uma câmera de alta velocidade com uma lente adequada perpendicular ao eixo de impacto e em linha com a superfície do líquido.
Nota: Uma lente prime 55mm fornece um bom ponto de partida. - Onde tecidos devem ser usados, adicione uma câmera de alta velocidade adicional para a experiência para fornecer uma visão de cima para baixo dos impactos, como visto na Figura 1b.
- Sincronize várias câmeras para um computador usando as seguintes etapas.
- Conecte os dois terminais de saída da câmara horizontal para ambos os terminais de entrada da câmera adicional usando cabos BNC.
- Ligue o interruptor de gatilho à câmara horizontal apenas.
- Conecte os cabos Ethernet de ambas as câmaras um fora da rede roteador conectado ao computador.
Nota: Na ausência de um roteador, conecte os cabos Ethernet de câmeras para separar computadores.
- O software de aquisição de vídeo, configure as câmeras com as seguintes configurações. Definir a taxa de quadros para um mínimo de 1.000 fps, definir a resolução da tela para a resolução desejada. Definir a velocidade do obturador para 1 por quadro segundo e definir o modo de gatilho para terminar.
- Altura máxima de lançamento, realizar uma série de testes para garantir que os jatos de Worthington encontram-se o quadro de vídeo.
- Ajuste a posição da câmera e foco em conformidade até a qualidade de visualização desejada seja alcançada.
- Depois de gravar, extrai medições geométricas e cinemáticas de vídeos usando uma ferramenta de análise de vídeo adequado. Use o Tracker, uma ferramenta de análise de código-fonte aberto ou qualquer software de capacidade comparativa.
7. digitalização de cinemática de impacto com software tracker
- Selecione a vara de calibração da caixa de ferramentas Tracker e combiná-lo com a escala visual (Figura 2a), fazendo o pau tanto quanto possível.
- Clique em vara de calibração e defina o valor de escala para o comprimento da escala visual pelo pau. Ou seja, se a vara de calibração abrange 1 cm na escala visual, defina escala valor para 1.
Nota: Isso garante medições de software são na ordem de centímetros. - Alternar a reprodução de vídeo clicando em Iniciar e parar e definir o vídeo para o quadro desejado.
- Selecione a vara de medição da caixa de ferramentas Tracker e extrair o respingo coroa altura k, cavidade largura b, cavidade profundidade le Worthington jato altura h, como visto na Figura 2b,c.
Nota: A vara de medição é ajustável em ambas as extremidades e pode ser usada simultaneamente com outras seleções de caixa de ferramentas. - Selecione a caixa de ferramentas Tracker transferidor e medir o ângulo de separação q de fluido em relação o pêndulo, como visto na Figura 2b. O transferidor é ajustável em ambas as extremidades e pode ser usado simultaneamente com outras seleções de caixa de ferramentas.
- Selecione o recurso de Rastreamento automático do software para gravar dados de velocidade e posição temporal. Quando o rastreamento é interrompida devido à falta de clareza no vídeo, uso manual de acompanhamento até à obtenção de clareza e rastreamento automático é retomada.
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Representative Results
Isto estabeleceu protocolos permitem para a observância dos jatos Worthington decorrentes de impactos verticais sobre números uma gama de Weber 
como visto na Figura 2C. Estes resultados estão publicados no Watson et al1, que pode ser referenciado para as condições experimentais exatas usadas para produzir os dados aqui apresentados. Focalizamos o filme alongado estreito de fluido projetando-se acima da superfície livre do líquido. Na Figura 3 mostramos que uma quantidade insuficiente de tecido amplifica espirrando enquanto camadas suficientes atenua respingo de volta. Os resultados são não-dimensionalized usando o diâmetro da esfera D como visto na Figura 3b.
Mostramos a relação entre propriedades de não-dimensionalized cavidade, tais como a profundidade da cavidade 
, respingo altura coroa 
, largura da cavidade 
e número de Weber 
na figura 4a-d. Os resultados são capturados com uma câmera de alta velocidade frontal única em um ambiente bem iluminado. Uma visão de câmera representativa é vista na Figura 2b. Toda a gama de experimental na Figura 4, dimensões das cavidades criadas por uma esfera impactar uma única camada de tecido mostram pouca variação.
Consideramos a trajetória das esferas após o impacto com a superfície interfacial e trilha posição temporal de dados até que ocorra a pitada de cavidade fora como visto na Figura 5a. Nós então alisar os dados com um filtro de Savitzky-Golay11 para remover os efeitos do ruído experimental antes da diferenciação numérica. As curvas de velocidade resultante na Figura 5b são suavizadas novamente antes da diferenciação numérica para a obtenção de 
necessárias para a análise de força.
Figura 1. Esquemático da configuração experimental. (um) câmeras de alta velocidade capturam vistas frontais e superior com iluminação difusa, posicionada acima da câmera frontal. O interruptor de gatilho é opcional, dada a disponibilidade de controles manuais no software de gravação de vídeo no computador. (b) sequência de foto de impacto hidrofílico esfera em um fino tecido penetrável no topo do fluido, filmado usando a câmera aérea. Um ponto preto é usado para não garantir nenhuma rotação presente durante a queda livre. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2. Respingo de visualização para o impacto da esfera hidrofóbico sobre uma superfície inalterado. A sequência de fotos mostra (uma) entrada de água, (b) ascensão de coroa de respingo e ar-uma armadilha, (c), jato de jato de Worthington e formação, (d) de separação para um representante splash. Esfera tem velocidade de impacto de 
m/s. Uma vara de medidor é usada para calibrar as medições dentro da ferramenta de análise de vídeo, usado para medir a altura da coroa de respingo 
, largura da cavidade 
, profundidade da cavidade 
ângulo de separação 
e altura de Worthington jato 
. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3. Respingo de alturas através de número de Weber (
). (um) jato Worthington altura 
vs , com 
vs mostrado em (b). Número anterior "Dobras" denota as camadas de tecido. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4. Variação da cavidade dimensões através de números de Weber. Relação entre e o ângulo de separação (a) 
, profundidade de cavidade (b) 
, altura de coroa de respingo (c) e (d) cavidade largura . Propriedades são não-dimensionalized em termos de diâmetro da esfera, 
. Barras de erro denotam desvio-padrão para a média de cinco ensaios em cada ponto. A figura é modificada de Watson et al.1. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5. Cinemática representativa da esfera durante a descida subaquática. Faixas temporais de (uma) posição vertical 
e (b) velocidade 
para impactar esferas com 0 a 4-camadas de tecido em cima da água. Trajetórias são não-dimensionalized em termos de diâmetro da esfera, e velocidade de impacto 
respectivamente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
Este protocolo descreve o desenho experimental e práticas recomendadas para investigações de esferas em queda livre em uma piscina de líquido no fundo. Começamos destacando etapas necessárias para configurar o experimento para impactos verticais. É importante criar um ambiente de respingo ideal com o uso de uma zona de respingo suficientemente grande tal que efeitos de parede são negligenciáveis9e uma escala visual apropriada para a extração de cinemática12,13,14 ,15,16,17,18,19,20,21. Enquanto absorventes de choque pode ser improvisados de materiais de laboratório em excesso, eles devem ser higienizados antes do experimento com água e um agente de remoção de sujeira apropriado. Falha ao limpar o amortecedor e o tanque pode levar à introdução de impurezas durante um experimento e alterar características de respingo. Na literatura, existe uma falta de detalhes sobre a manutenção de limpeza experimental e, como tal, este artigo apresenta orientações para a obtenção de resultados consistentes de água ensaios de entrada.
As técnicas descritas acima estão sujeitas a afinação, como visto em estudos anteriores. O mecanismo de liberação de primavera-atuada empregado pelos autores pode ser substituído com eletroímãs15 quando usando esferas ferrosas. A facilidade de uso do método é melhorada quando as câmeras de alta velocidade são definidas para acionar automaticamente depois de cair de esferas através de fotocélulas12 ou infravermelho aciona22,23, mas estas adicionam complexidade. Tratamentos de superfície de pêndulo para controlar a molhabilidade também podem ser feitos por meio de abordagens mais rigorosas, como visto no Duez et al.8. Por exemplo, esferas enxertado com octyltriethoxysilane, lavadas com isopropílico e aquecida em um forno a 90 ° C atingir hidrofobicidade super8. O protocolo pode ser mais sintonizado para visualização de cavidade melhorado substituindo a tela preta (mostrada na Figura 1a) com luz de fundo, que faz características cavidade pronunciada mais3.
Deve ter cuidado ao considerar cinemática temporal para investigações teóricas. Posição temporal faixas apresentam menos distorção do que para faixas de velocidade, mas requerem alisamento antes da diferenciação numérica1,3,15. O filtro de Savitzky-Golay executa uma regressão polinomial em um intervalo de valores igualmente espaçados para determinar o valor suavizado para cada ponto e mais fielmente pode manter características salientes11 de uma faixa. Para controlar a posição da esfera, um polinômio de segundo grau no interior do filtro Savitzky-Golay preserva características mais salientes da trilha ao remover ruído experimental. Finalmente, os pesquisadores têm a escolha da média movente do filtro, que deve ser tão pequena quanto possível e ainda alcançar o nível desejado de suavização.
O protocolo estabelecido não está restrito à lista de materiais apresentados aqui e pode ser realizado em uma escala maior, para gerar maior velocidade de impacto e maior gama de parâmetros adimensionais que bom augúrio para traduzir resultados naval e aplicações da indústria.
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Disclosures
Os autores não têm nada para divulgar.
Acknowledgments
Os autores gostaria de reconhecer a faculdade de engenharia e Ciências (CECS) da Universidade da Flórida Central para financiar este projecto, do computador, Joshua Bom e Chris Souchik para imagens de respingo e Nicholas Smith para feedback valioso.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D Printer | FlashForge | Creator Pro | Dual Extrusion |
| Alcohol | Swan | M314 | 99% Isopropyl |
| BNC Cables | Thorlabs | 2249-C-24 | |
| Caliper | Anytime Tools | 203185 | Dial |
| Camera | Photron | Mini AX-100 | 16GB Ram |
| Computer | Dell | Windows 7 Pro | |
| Fabric | Georgia Pacific | 19378 | Toilet Paper |
| Fabric | Kleenex | 10036000478478 | Tissue |
| Laser Cutter | Glowforge | Basic | |
| Lights | GS Vitec | LT-V9-15 | Multi-LED |
| Microscope | Keyence | VHX-900F | Digital |
| Retort Stand | VWR | VWRF08530.083 | |
| Router | ASUS | RT-N12 | Off Network |
| Ruler | Westcott | 10432 | Meter Ruler |
| Software | Open-Source | Tracker | Video Analysis |
| Software | Photron | Fastcam Viewer | Video Recording |
| Sphere | Amazon | 8DELSET | Delrin |
| Spray | Rust-Oleum | 274232 | Water Repelling |
| Surfactant | Dawn | 37000973782 | Liquid Soap |
| Surfactant | USP Kosher | 5 Gallons | Glycerin |
| Tensile Tester | MTS | Model 42 | |
| Trigger Switch | Custom Made | ||
| Water Tank | Mr. Aqua | MA-730 | Non-Tempered Glass |
References
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