Płyny reoskopowe, czyli jak zobaczyć przepływ

Ile razy zastanawialiście się jakby to było zobaczyć powietrze, albo raczej w jego przepływ? Ja miliony. Okazuje się, że nie jest to pytanie nowe ani nieaktualne, a wizualizacja przepływów do dzisiaj spędza sen z powiek pionierów tej dziedziny. O jednej z najnowszych metod wizualizacji PIV już pisałem, a ponieważ wpis ten przeczytało 9 osób (na dzień 02.02.2020r,  kiedy pisze te słowa) postanowiłem kontynuować wątek. Dzisiaj jednak nie o metodach najnowszych, ale o najstarszych. Mowa o płynach reoskopowych.

Płyny reoskopowe, czyli jak zobaczyć przepływ

Zanim opowiemy sobie ich historię dowiedzmy się czym w zasadzie są płyny reoskopowe. To płyny, które dzięki różnemu odbijaniu światła pozwalają nam na zobaczenie tego jak poruszają się poszczególne ich elementy . Inaczej, rzecz ujmując płyny reoskopowe to płyny anizotropowe pod względem odbijania światła. W zależności od tego jak ułożą się ich cząsteczki inaczej odbijają światło. Osiąga się to przez zmieszanie zwykłych cieczy (najczęściej wody lub gliceryny) ze specjalnymi substancjami, często o kształcie płatków, płytek i podobnych takimi jak mika (grupa minerałów), płatki metaliczne, łuski ryb. Ciecze tego typu są dziś dostępne dla wszystkich i można je kupić w wielu serwisach internetowych.  W zasadzie nic nowego nic odkrywczego, choć piękne i cóż, zobaczyć przepływ...

Zdjęcie 1. Klasyczny przykład płynu reoskopowego w dysku, który zatrzymuje się po wprawieniu cieczy w ruch obrotowy
Źródło

Wróćmy jednak do początków płynów reoskopowych - a może cieczy, bo w zasadzie nie spotkałem się z reoskopowymi gazami. Prawdopodobnie już w 1785roku szwedzki fizyk J. C. Wilcke wykorzystał cząstki wapna palonego do wizualizacji przepływu w zbiorniku mieszalnika. Dalej poszło z górki. Grafitowe i aluminiowe płatki do wizualizacji konwekcji w podgrzewanej cieczy użyte przez francuskiego fizyka Henriego Benarda (ciekawostka: w 1900roku Benard wykorzystał cieką warstwę wielorybiego tłuszczu z wcześniej wspomnianymi płatkami, co pozwoliło odkryć mu komórki konwekcyjne nazwane na jego cześć). Mika wykorzystana przez Prandtla do wizualizacji przepływu wokół ciała w tunelu aerodynamicznym i wiele innych mniej lub bardziej znanych nazwisk i przykładów. 

Zdjęcie 2. Komórki konwekcyjne Bernarda
Źródło: Wiki

Jak jednak zrobić własny płyn reoskopowy? Wystarczy woda i kryształy kwasu stearynowego. Jeżeli jednak nie macie go pod ręką wystarczy pianka do golenia (zawierające wyżej wspomniany kwas, najlepiej jak najtańsza). Krem mieszamy z wodą w stosunku masowym 1:20 (nie trzeba być zbyt dokładnym, ale warto zaopatrzyć się w wagę kuchenną). Mieszamy i zostawiamy płyn na kilka godzin. Po tym jak płyn rozdzieli się na dwie frakcje pianę usuwamy, a ciecz można rozcieńczyć i wykorzystać do wizualizacji. Udanej zabawy...

Rysunek 3. Przepis na domowy płyn reoskopowy z kryształy kwasu stearynowego a)umieszczamy pianke do golenia w naczyniu, b) dodajemy wody w proporcji masowej 20:1(woda:pianka), c) mieszamy do uzyskania jednolitej cieczy, d) zostawiamy na kilka godzin do rozwarstwienia, e) zdejmujemy piane i pozostaje płyn reoskopowy
Źródło: przypis 1

Zdjęcie 4. Wizualizacja struktur turbulentnych (a) i fali za stalową kulką uzyskane z użyciem płynów reoskopowych
Źródło: przypis 1

Źródło:

 1. Borrero-Echeverry, D., Crowley, C. J., & Riddick, T. P. (2018). Rheoscopic fluids in a post-Kalliroscope world. Physics of Fluids, 30(8), 087103.