誰能讓時間倒轉?——層流的演示

誰能讓時間倒轉?——層流的演示

目的

演示流體在層流(Laminar flow)狀態下的特殊行為。

 

實驗

實驗裝置:如下圖

fig2

在實心壓克力柱與空心壓克力管的間隙中注入甘油(glycerine)做為演示的流體。以滴管注入藍、紅、黑三種染料後,旋轉內圓柱,使染料完全散開來(記錄轉了幾圈)。接著,將內圓柱反方向旋轉(反轉同樣的圈數),觀察染料可否回復原來的狀態。

 

 

原理思考

轉動內圓柱後染料完全散開來,為何反向旋轉後染料可回復到原來的狀態?

 

若用流線來表示流體中運動的粒子,那麼當流體流速不快時,其流線與流線之間並不會互相交錯(如下圖),而這樣的流動狀態我們稱為層流。

un mixing fig1

 

 

討論

若將甘油換成水,實驗是否仍會成功?

 

在原理探究中雖然是用流速大小做為流動是否為層流的指標。但實際上是用來其液體的雷諾數(Reynolds number)做為指標。

雷諾數:流體流動中慣性力與黏滯力的比值,一般又簡稱為

當流體於管中流動時:  ( :流體密度、:流速、:管子的直徑、:液體黏性)

在一般壓克力管中,液體流動的雷諾數為層流狀態,為過渡狀態,為紊流狀態。

甘油(丙三醇)的黏性,水的黏性,當其他條件皆相等時,黏性高的雷諾數較低。由此可發現,在所有狀態都相同的情況下,水的雷諾數將比甘油雷諾數差將近千倍。

 

關於實驗

影片中注入的染料為紅墨水與甘油之混合物

 

製作

曾助理

 

指導老師

朱慶琪

 

撰稿

戴伯誠、朱慶琪、朱浦毅(動畫繪製)