virtaus

Nyt se tiedetään: näin nelikopteri oikeasti lentää (video)

Periaatteessa se, miten nelikopteri lentää, tiedetään varsin hyvin: sen vaakatasossa olevat, pyörivät potkurit saavat aikaan nostovoimaa ja puhaltavat ilmaa alaspäin. Mutta miten ilma tarkalleen ottaen liikkuu, on ollut arvoitus.

Nyt Nasan Piilaaksossa sijaitseva tutkimuskeskus, Amesin tutkimuskeskus, on tuottanut tämän simulaation, joka näyttää miten homma oikeasti toimii. Keskuksen tutkijat käyttävät normaalisti supertietokoneita ja ilman virtausanalyysiä lentokoneiden ja muiden ilma-alusten aerodynamiikan määrittelyyn, mutta samat luonnonlait pätevät myös pieneen DJI Phantom 3 -nelikopteriin.

Monien harrastajien suosimaa kopteria on tässä hieman muunneltu, mutta periaate on täsmälleen sama kuin Suomenkin taivaalla viuhuvissa laitteissa.

Erityisen kiinnostavaksi nelikopterin tekee sen ristimäinen muoto: ilma kiertää alas liikkuessaan rungon ja muodostaa varsin monimutkaisen, osin kaoottisen virtauskuvion.

Animaatiossa nelikopteri on ikään kuin lennossa, eli maa tai mikään lähellä oleva pinta ei häiritse ilman virtausta. Ilmavirrat ovat animaatiossa viivoina ja paine-erot näkyvät eri väreinä siten, että keskimääräistä korkeampi paine on punaista ja matalampi sinistä.

Pienen akkukäyttöisen lelun tutkiminen auttaa parantamaan myös isompien nelikopterien ja niiden roottorisysteemien hyötysuhdetta, sillä tutkijat onnistuivat parantamaan roottorien tuottamaa nostovoimaa pienien, simulaation pohjalta tehtyjen muutosten avulla lähes kaksinkertaiseksi.

Samankaltaista virtausdynamiikan simulointia tehdään myös Suomessa mm. CSC Tieteen tietotekniikan keskuksen supertietokoneilla – ja yhä useammin myös kannettavilla tietokoneilla, joiden tehot vastaavat hyvin ammoisia supertietokoneita.

Video: NASA Ames Research Center/NASA Advanced Supercomputing Division/Tim Sandstrom

Magnus-efekti vie kierrepotkut maaliin ja vetää pyörivät purjeet liikkeelle

Oletko kenties miettinyt, mikä saa jalkapallon menemään kierrepotkun nollakulmasta maaliin? Tai kuinka baseball-syöttäjä saa pelivälineen liikkumaan lähes maagiselta näyttäviä ratoja niin, ettei lyöjä siihen osu?

Yllä oleva video näyttää jännittävällä tavalla, mitä käytännön vaikutuksia ilmiöllä oikein on. Sen avulla toimivat myös pyöriväpurjeiset laivat ja sylinterinmuotoisin siivin lentäviät lentokoneet.

Kyse on Magnuksen voimasta, jota kutsutaan kutsutaan myös "Magnus-efektiksi". Ilmiön kuvaili perinpohjaisesti 1800-luvulla saksalainen tiedemies Gustav Magnus.

Magnuksen voima on yksinkertainen: Pyörivä pinta vetää ilmaa yhteen suuntaan ja ilma vastaavasti pintaa vastakkaiseen suuntaan. Tämä kuitenkin tapahtuu vain toisella puolella pyörivää esinettä: siellä, missä ne pyörimisliike ja ilman liike ovat samaan suuntaan. Siksipä pyörivän pinnan nettoliike onkin yllättäen tästä kohtisuoraan.

Video on peräisin populaaritiedesivusto Iflscience.com:ista.

Perjantaipähkinä: Kuinka kauan tikkari kestää?

Pe, 02/06/2015 - 13:35 Markus Hotakainen

Noin tuhat lipaisua, mikäli tuoreeseen tutkimukseen on uskominen. New Yorkin yliopiston ja Floridan valtionyliopiston tutkijat ovat selvitelleet kappaleiden muodonmuutoksia ja aineen liukenemista veden vaikutuksesta. Ongelmana on ollut se, että virtaus vaikuttaa kappaleen pintakerroksen käyttäytymiseen ja toisaalta pinnan jatkuva muovautuminen vaikuttaa virtaukseen.

Varsinainen kysymyksenasettelu ei koskenut makeisten syömistä ja niiden riittävyyttä, vaan liittyi kemian- ja lääketeollisuuteen. Niissä kiinteän aineen liukeneminen nesteeseen on usein keskeinen tekijä ja siksi siihen vaikuttavat prosessit on hyvä tuntea mahdollisimman yksityiskohtaisesti.

Tutkijat upottivat laboratoriossa kovia karkkeja virtaavaan veteen ja kuvasivat niiden vähittäistä hiipumista. He huomasivat, että liuetessaan makeinen omaksuu tietyn muodon, joka sitten säilyy – toki kaiken aikaa kutistuen – kunnes karkki on kokonaan kadonnut.

Syntyvään muotoon ei vaikuttanut makeisen alkuperäinen muoto eikä myöskään veden virtausnopeus. Liukenemisvauhti kuitenkin kasvaa suhteessa veden virtausnopeuden neliöjuureen.

Karkkien liukeneminen kuvattiin ja kuvien pohjalta tehtyjen mittausten avulla voitiin laatia malli siitä, miten virtaus muotoilee ja kuluttaa liukenevaa kappaletta.

Nyt saatuja tuloksia voidaan soveltaa myös geologiassa. Eroosio tuottaa usein epätavallisia maastonmuotoja, jotka ovat mahdollisesti selitettävissä kehitetyn mallin avulla. Samalla tuli selvitetyksi, kuinka kauan tikkari kestää.

Tutkimuksesta kerrottiin Newswise-sivustolla ja se on julkaistu Journal of Fluid Mechanics -lehdessä (maksullinen) 26. tammikuuta.