חוקרים בטכניון מגלים אי-יציבות הידרודינמית נסתרת

פרופ’ דוד גרינבלט

חוקרים בטכניון מציגים תצפית ניסויית ראשונה באי-יציבות באפקט קואנדה – תופעה פיזיקלית חשובה הקשורה בזרמי סילון – וגילויים חדשים על התנהגותם של סילונים אלה. החוקרים, הדוקטורנט לב דונאיביץ’ ופרופ’ דוד גרינבלט מהפקולטה להנדסת מכונות, מציגים את ההישג במאמר מובלט בכתב העת Physics of Fluids. לדבריהם, מאחר שהתופעה קשורה בזרימת אוויר, המחקר עשוי לסייע בשיפורם של מכשירי הנשמה כמו אלה הנדרשים בטיפול בחולי COVID-19 וכן בתחומים רבים אחרים ובהם כלי טיס זעירים, התקנים זעירים לערבוב נוזלים ומערכות לקירור רכיבים אלקטרוניים.

אפקט קואנדה, הקרוי על שם הממציא הרומני הנרי קואנדה (Henri Coandă), מתבטא כשסילון הנע בקרבת משטח קמור מתקמר סביב המשטח במקום לנוע בקו ישר. אם לדוגמה נזרים אוויר בקרבת כדור, האוויר ייטה להיצמד לכדור ולנוע סביב היקפו עד שלב מסוים. אף שהאפקט האמור נחקר בזורמים כבר בתחילת המאה ה-19, קואנדה הוא הראשון שיישם אותו בהקשר האווירודינמי לפני כמאה שנה.

אפקט חשוב נוסף בסילונים, שהתגלה לפני יותר ממאה שנה על ידי הפיזיקאי הבריטי לורד ריילי, הוא אי יציבות צנטריפוגלית. פירושו של מונח זה הוא שבסילונים מסוימים מתפתחות סופות טורנדו זעירות (mini-tornadoes) שמשפכיהן פונים קדימה לכיוון התקדמות הסילון. בשנות השמונים הוגדרו התנאים התאורטיים לקיומה של התופעה, אולם האפקט לא נצפה עד כה באופן ניסויי.

כל זה השתנה כעת במחקרם של דונאיביץ’ ופרופ’ גרינבלט. באמצעות שיגור סילון שטוח מעל גוף גלילי הצליחו השניים למפות לראשונה את אותן סופות טורנדו זעירות. במאמר הנוכחי הם מציגים את התנאים ההכרחיים הנדרשים לקיומן של סופות אלה, תנאים העולים בקנה אחד עם התאוריה, ומראים גם כיצד אותן סופות מאבדות צורה ומתפרקות. לתהליך זה של היווצרות סופות טורנדו זעירות והתפוגגותן יש השלכות דרמטיות על מיקום נקודת ההינתקות של הסילון מן המשטח.

הדוקטורנט לב דונאיביץ’

לדברי פרופ’ גרינבלט, “גילויה של אי-היציבות הצנטריפוגלית הפתיעה אותנו מאוד, ואנו מעריכים כי היא מתקיימת גם בזרימת דם בגוף ובזרם האוויר במכונות הנשמה. כבר שנים רבות סבורים שאפקט קואנדה הוא הסיבה לכך שמכונות הנשמה אינן מזרימות את האוויר לריאות באופן אחיד – תהליך הגורם נזק למטופלים – ואני מעריך שהתגלית שלנו תסייע בשיפורן של מכונות אלה לטובתם של חולי קורונה ומטופלים אחרים.”

כעת, בסיוע תמיכה של קרן הלאומית המדע (ISF), חוקרים דונאיביץ’ ופרופ’ גרינבלט דרכים אפשרויות לשליטה בסופות המיני-טורנדו באופן שירתום את אפקט קואנדה לשיפורם של מכשירים רפואיים ויישומים תעשייתיים שונים.

למאמר בכתב העת Physics of Fluids לחצו כאן

באיור: סופות טורנדו זעירות (פסים אדומים) הנוצרות בסילון כתוצאה מאפקט קואנדה. באדיבות לב דונאיביץ’ ופרופ’ דוד גרינבלט