Zu Hause Strömungsmechanik zum Selbermachen

Obwohl die COVID-19-Pandemie viele Störungen im Bildungssystem verursachte, führte sie auch zu einigen überraschenden Vorteilen.

In Physik der Flüssigkeiten, beschreiben Wissenschaftler der University of Illinois in Urbana-Champaign ihre Arbeit mit Studenten an einer Heimstudie des komplexen Flüssigkeitsverhaltens. Der Kurs behandelt eine als Rheologie bekannte Art der Physik, die verwendet wird, um die Art und Weise zu untersuchen, wie nicht-newtonsche Flüssigkeiten oder halbfeste Substanzen fließen.

Newtonsche Flüssigkeiten haben eine konstante Viskosität, aber nicht-Newtonsche Flüssigkeiten können sich verformen, wenn eine Kraft ausgeübt wird. Manchmal reagieren sie mit plastischem Fluss. Einfache rheometrische Messungen können bei jedem zu Hause durchgeführt werden, um Größen wie Viskoelastizität, Strukturviskosität und andere rheologische Eigenschaften zu messen.

„Aufgrund der akuten Natur der COVID-19-Pandemie und der Shelter-in-Place-Regeln haben wir das Projekt ursprünglich Shelter-in-Place-Rheometrie genannt“, sagte Randy Ewoldt, der an der Entwicklung des Kurses beteiligte Professor. „Aber wir haben festgestellt, dass die Idee allgemeiner ist, und nennen sie seitdem Do-it-yourself-Rheometrie.“

Die den Studenten zugewiesenen Projekte bestanden aus zwei Teilen: dem Sammeln qualitativer visueller Nachweise rheologischer Eigenschaften und dem Durchführen quantitativer Messungen. Die Studenten prüften vier Verhaltensweisen: Scherverdünnungsviskosität, Viskoelastizität, Schernormalspannungsdifferenz und Dehnungsviskosität.

Auch ohne Zugang zu Laborrheometern entwickelten die Studenten kreative und einzigartige Möglichkeiten, ihre Messungen durchzuführen. Sie untersuchten eine Vielzahl gängiger Substanzen, darunter Buttercremeglasur, Zahnpasta, Joghurt, Erdnussbutter, Mayonnaise, Eiweiß und viele andere Substanzen, die in ihren Haushalten erhältlich sind.

Ein Student, Ignasius Anugraha, entwickelte eine Kompressions-Squeeze-Flow-Analyse, um Buttercreme-Zuckerguss zu untersuchen. Anugraha legte die Glasur zwischen zwei Pappscheiben und setzte sie einer Kraft aus, indem sie mit Wasser gefüllte Förmchen auf die Scheiben stapelte.

Die Glasur war in der Lage, das Gewicht des Wassers zu tragen, bis ein kritischer Wert erreicht war, an welchem ​​Punkt die Glasur auf einer Seite zusammenbrach und herausgedrückt wurde. Mithilfe von Gleichungen, die das Gewicht des Wassers beinhalten, war Anugraha in der Lage, eine Größe zu messen, die als Fließspannung bekannt ist.

Ein anderer Student, Max Friestad, entwarf ein Experiment, um ein Verhalten zu untersuchen, das als schwerkraftgetriebene Filamentdehnung bekannt ist. Friestad hängte eine Zahnpastatube senkrecht auf und drückte sie sanft zusammen, wodurch ein Klecks Zahnpasta ausgestoßen wurde, der sich langsam ausdehnte und nach unten streckte. Mithilfe eines Mobiltelefons mit einer Hochgeschwindigkeitskamera mit Bildrate konnte Friestad Messungen vornehmen und die Dehnungsviskosität berechnen.

Der Kurs war so erfolgreich, dass die Fakultät ihn weiterhin sowohl persönlich als auch online anbietet.

„Wir arbeiten derzeit an einer Überprüfung von Methoden, von denen wir glauben, dass sie nicht nur für Kursarbeit und Unterricht, sondern auch für Forschung und technische Kommunikation nützlich sein werden“, sagte M. Tanver Hossain.

Der Artikel „Do-it-yourself-Rheometrie“ wurde von M. Tanver Hossain und Randy H. Ewoldt verfasst. Der Artikel erscheint in Physik der Flüssigkeiten am 10. Mai 2022.