अंतरिक्ष में बहने वाली पानी की बूंदें जल दोलनों के सिद्धांत की पुष्टि करती हैं

जबकि दुनिया भर के खगोलविद मस्ती कर रहे हैं नई देखें अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन के प्रयोगों ने कॉर्नेल विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं को पानी की परिचितता में नई अंतर्दृष्टि प्रदान की है।

छवि क्रेडिट: कॉर्नेल विश्वविद्यालय

विशेष रूप से, अंतरिक्ष स्टेशन माइक्रोग्रैविटी वातावरण कैसा है पानी की छोटी बूंदें यह कंपन करता है और ठोस सतहों पर फैल जाता है। इस ज्ञान का 3डी प्रिंटिंग, स्प्रे कूलिंग, निर्माण और कोटिंग संचालन में बहुत वास्तविक अनुप्रयोग हो सकता है।

टीम का पेपर, “अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन पर मोबाइल संपर्क लाइनों द्वारा छोटी बूंद दोलन: पृथ्वी की जड़त्वीय छोटी बूंद प्रसार की व्याख्या, फिजिकल रिव्यू लेटर्स में प्रकाशित हुआ था। पहले लेखक जोशुआ मैकक्रैनी, एमएस ’19, पीएच.डी. ’21 हैं।

प्रयोग और उसके परिणाम, सफल होने के साथ-साथ कड़वे भी हैं। पेपर के सह-प्रमुख लेखक, पॉल स्टीन, स्मिथ स्कूल ऑफ केमिस्ट्री एंड बायोमोलेक्यूलर इंजीनियरिंग में इंजीनियरिंग के मैक्सवेल एम। अपसन प्रोफेसर हैं। सितंबर 2020 में निधन हो गयाप्रयोग किए जाने से ठीक पहले।

“दुर्भाग्य से, पॉल को अंतरिक्ष में शुरू किए गए प्रयोग को देखने को नहीं मिला,” सह-प्रमुख लेखक ने कहा सुसान डेनियल, फ़्रेड एच. रोड्स स्मिथ स्कूल ऑफ़ केमिस्ट्री एंड बायोमोलेक्यूलर इंजीनियरिंग में रसायन विज्ञान और बायोमोलेक्यूलर इंजीनियरिंग के प्रोफेसर और लंबे समय से स्टीन सहयोगी हैं। “मुझे उम्मीद है कि हमने अंत में उसे सही काम किया और हमने अपने काम से जो पेपर बनाया वह उसे गौरवान्वित करेगा।”

2007 में सहायक प्रोफेसर के रूप में पहली बार कॉर्नेल विश्वविद्यालय में आने के तुरंत बाद डैनियल ने स्टीन के साथ सहयोग करना शुरू कर दिया। उनका वर्तमान शोध कोरोनवीरस के जैविक इंटरफ़ेस पर केंद्रित है, जबकि स्नातक का काम रासायनिक इंटरफेस और द्रव गतिकी में था। यह वह क्षेत्र है जिसमें स्टीन था। कंपन के अधीन होने पर बूंदें कैसे प्रतिध्वनित होती हैं, इसके आधार पर हम कुछ सैद्धांतिक भविष्यवाणियों को आगे बढ़ा रहे हैं। दो शोधकर्ताओं ने एक त्वरित संबंध बनाया।

“वह सिद्धांतों को जानता था और भविष्यवाणियां करता था, और मुझे पता था कि उनका परीक्षण करने के लिए प्रयोग कैसे चलाना है,” डेनिएल ने कहा। “मूल रूप से, 2007 में मेरे यहां आने से लेकर उनके निधन तक, हमने सीखा कि कैसे तरल पदार्थ और सतहें परस्पर क्रिया करती हैं, और विभिन्न परिस्थितियों में उनके बीच इंटरफेस के संपर्क की रेखा कैसे बदल सकती है। मैंने यह समझने की कोशिश की कि वे कैसे व्यवहार करते हैं। नीचे।”

उनका सहयोग हैफोटो एलबमयह दर्जनों संभावित आकृतियों में से एक है जो पानी की एक दोलनशील बूंद ले सकती है। स्टीन ने बाद में बूंदों की ऊर्जा अवस्थाओं को सूचीबद्ध किया, जैसा कि उनके प्रतिध्वनि आकृतियों द्वारा दर्शाया गया है, उन्हें “आवर्त सारणी“वर्गीकरण।

2016 में, स्टीन और डैनियल को नेशनल साइंस फाउंडेशन (NSF) और NASA के स्पेस साइंस एडवांसमेंट सेंटर से चार साल का अनुदान मिला। द्रव गतिकी अनुसंधान इंटरनेशनल स्पेस स्टेशन यूएस नेशनल लेबोरेटरी में बोर्डिंग।

तरल पदार्थों के व्यवहार का अध्ययन करने के लिए अंतरिक्ष एक आदर्श स्थान है, क्योंकि आईएसएस पर गुरुत्वाकर्षण पृथ्वी की तुलना में लगभग दस लाख गुना कम है। यह पृथ्वी पर इतना छोटा और इतना तेज़ है कि तरल पदार्थ और सतहों की परस्पर क्रिया, जो व्यावहारिक रूप से नग्न आंखों के लिए अदृश्य है, अंतरिक्ष में लगभग दस गुना अधिक है, माइक्रोन से सेंटीमीटर तक, और इसकी अवधि लगभग 30 गुना धीमी है।

डेनिएल ने कहा, “जब गुरुत्वाकर्षण रास्ते में हो तो इन गिरती गतियों का प्रयोगात्मक और मौलिक रूप से अध्ययन करना मुश्किल है।”

स्टीन और डैनियल ने अपने फोटो एलबम से कई गुंजयमान आकृतियों का चयन किया और उनका विस्तार से अध्ययन करना चाहते थे। विशेष रूप से, हम इस बात पर ध्यान केंद्रित करते हैं कि कैसे छोटी बूंद की संपर्क रेखा (बाहरी किनारे) सतह पर आगे और पीछे स्लाइड करती है, जिससे तरल फैलता है। , एक घटना जिसे विभिन्न कंपन आवृत्तियों पर नियंत्रित किया जा सकता है।

टीम ने अंतरिक्ष यात्रियों के पालन के लिए विस्तृत निर्देश तैयार किए, चार साल की योजना को हर सेकंड प्रयोग के कोरियोग्राफ किए गए मिनटों में संक्षिप्त किया।

वास्तविक समय की निगरानी और प्रतिक्रिया प्रदान करने वाले जमीन पर शोधकर्ताओं के साथ, अंतरिक्ष यात्रियों ने सीरिंज के माध्यम से पानी की 10 एमएल बूंदों को नौ अलग-अलग हाइड्रोफोबिक सतहों पर खुरदरापन की अलग-अलग डिग्री के साथ जमा किया। हमने बूंदों के जोड़े को भी जमने के लिए मजबूर किया, बूंदों को ऑसिलेटर्स में रखा, और वांछित अनुनाद आकार प्राप्त करने के लिए उनके दोलनों को ट्यून किया। पानी की बूंदों की लहराती गति को फिल्माया गया, और शोधकर्ताओं ने अगले वर्ष डेटा का विश्लेषण करने में बिताया।

उस विश्लेषण ने अंततः स्टीन के सिद्धांत की पुष्टि की कि कैसे तरल घनत्व और सतह तनाव संपर्क रेखा की गतिशीलता को नियंत्रित करते हैं और सतह खुरदरापन को दूर करते हैं।

डैनियल ने सह-लेखक डॉ. जोशुआ बोस्टविक को श्रेय दिया। ’11, स्टीन के एक पूर्व छात्र और अब क्लेम्सन विश्वविद्यालय में एक स्टेनज़ियोन सहयोग सहयोगी प्रोफेसर ने पुष्टि की कि प्रयोगात्मक परिणाम स्टीन की सैद्धांतिक भविष्यवाणियों से मेल खाते हैं।

“जोश पॉल की अनुपस्थिति के दौरान इस काम के सैद्धांतिक पक्ष को जारी रखने में सक्षम था। “यह आश्चर्यजनक है कि आपने हमारे लिए क्या किया है,” डैनियल ने कहा। हम उन प्रक्रियाओं में भविष्यवाणियां कर सकते हैं जहां तरल सतह पर तेजी से फैलता है।

चटनी: कर्नेल विश्वविद्यालय