NRK Meny
Normal

Fysikarar knyter knutar av vatn

Delfinars leik med bobleringar under vatn førte til gjennombrot for fysikken. – Noko av det penaste eg har sett på lenge, seier norsk fysikar.

Knutar i vatn

Delfinar som leika med bobleringar gav fysikarar inspirasjon til å lage knutar av vatn i eit banebrytande eksperiment.

Foto: Robert Kozloff, University of Chicago/YouTube/montasje NRK

Vi har alle strevd med å knyte våre første skolisser. Å få lissene til å forme nøyaktig dei riktige løkkene og knutane var skikkeleg vrient, heilt til vi fekk teken på det.

Fysikarar har lenge strevd med eit liknande, men svært mykje vanskelegare problem: Å få straumvirvlar til å slå knute på seg. Slike virvlar har eksistert i teorien i over hundre år, men ingen har lukkast i å lage dei i laboratoriet.

Før no. Med hjelp av ein 3D-printer og ein vasstank har fysikarane William Irvine og Dustin Kleckner ved University of Chicago klart å lage den våte varianten av ein røykring som slår knute på seg.

– Dette er noko av det penaste eg har sett av fysikkeksperiment på lenge, seier fysikar Bjørn Samset ved CICERO til NRK.no.

– Dette er eit resultat av typen som er gøy i seg sjølv, men som verkeleg utmerkjer seg når ein ser på kva vi kan nytte teknikken til framover, meiner Samset.

Gjennombrotet kan bli viktig innan mange område av fysikken, blant anna i studiar av straumar i vanlege væsker og superfluidar (væsker utan friksjon), men også fenomen som turbulens og plasmafysikk.

Eksperimentet kan også hjelpe oss til å forstå noko så daglegdag som korleis luftvirvlar bak ein fotball vil påverke retninga til ballen.

  • Sjå video av virvelknuten her:

Inspirert av delfinar

Fysikar William Irvine prøvde først å lage knutar av kolliderande røykringar, utan hell.

Ein video av delfinar som leika med ringar av bobler gav han inspirasjon til å prøve på nytt, men denne gongen i det våte element.

Sjå delfinvideoen som inspirerte forskarane:

Sjølv om forskarane ikkje kunne lage boblene på like leikande lette vis som delfinane, fann dei ein annan elegant måte å gjere det på.

Med hjelp av ein 3D-printer laga Irvine og Kleckner ein hydrofoil (parallellen til ein flyvengje i vatn) med ei bølgjande, kløveraktig form. Dei seinka så hydrofoilen ned i eit kar med vatn. I botnen av karet vart det produsert gassbobler som steig opp og festa seg på vengjestrukturen.

Når forskarane så sette hydrofoilen i bevegelse med ein akselerasjon på 100 g vart det danna ei straumvirvel-sløyfe.

Overlate til seg sjølv i vassmassane slo sløyfa knute på seg, før ho deretter gjekk i oppløysing.

Det heile gjekk føre seg i løpet av nokre få hundre millisekund, og virvlane var berre synlege for forskarane med hjelp av høghastigheitskamera og luftboblene som gjorde strukturane synlege.

Hydrofoil

Med hjelp av 3D-printer laga fysikarane ulike hydrofoilar, parallell til flyvengje under vatn. Forskarane laga 30 hydrofoilar før dei kom fram til rett struktur.

Foto: Robert Kozloff, University of Chicago

– Må skje noko spektakulært

Samset fortel at knuten i dette tilfellet er litt annleis enn ei skolisse. For fysikarar er nemleg ein ekte knute ein knute som ikkje går an å knytte opp igjen utan at ein klipper over tråden, eller at det skjer noko utanom det vanlege:

– Viss naturen først har laga seg ein knute, så må det skje noko litt spektakulært for å bli kvitt han igjen, fortel Samset.

I eksperimentet frå University of Chicago er tråden som blir knytt ein slags tornado, ein lang virvel av vatn som går rundt og rundt seg sjølv. Så har dei fått denne virvelen til å snirkle seg rundt og over seg sjølv, og bite seg i halen.

– Vatnet som virvlar går rundt seg sjølv på ein slik måte at det er umogleg å knyte det opp utan at tornadoen fysisk går gjennom seg sjølv. Mange har nok mistenkt at det går an å gjere noko slikt, men ingen har klart å få det til før no, seier Samset.

Forskarar meiner at magnetfeltlinjene rundt jorda og sola kan lage liknande knutar, og at desse prosessane kan vere med på å forklare korleis energi blir flytta rundt på sola.

– Vi har til no ikkje hatt nokon moglegheit til å teste for eksempel forholda ytst på sola, men her det ein. Solforskarane vil noko kaste seg over dette for å sjå om oppførselen faktisk stemmer når dei går detaljane etter i saumane, seier Samset.

Og vi har altså delfinane å takke for gjennombrotet.

  • Sjå video som viser korleis forskarane utførte forsøket: