Galleggiabilità e trascinamento su corpi immersi

1. Fabbricazione della sezione di prova di iniezione di gas (vedi schema e fotografia, Fig. 2)

1. Praticare un foro sul fondo di un contenitore di plastica alto e piatto. Installare un raccordo per paratia a parete passante attraverso questo foro. Installare un raccordo riducente a una connessione di compressione del tubo di ~ 3,2 mm nell'uscita del raccordo della paratia. Questa sarà la porta di iniezione della bolla / goccia.
2. Inserire un cavo in gomma morbida di lunghezza corta (~ 1 cm) di 3,2 mm di diametro nella connessione di compressione e stringere il dado di raccordo. Usando una spilla da cucito, forare un foro sottile attraverso il cavo di gomma. Questa sarà la valvola per l'iniezione di bolle / goccioline nel contenitore del fluido.
3. Riempire il contenitore con glicerina ad un livello di ~ 25 cm. Versare la glicerina lentamente come un film lungo la parete laterale del contenitore per aiutare a ridurre il trascinamento della bolla nel contenitore. Attendere ~ 2 ore per consentire alle bolle più grandi di uscire dal contenitore.
4. Montare una videocamera su un treppiede rivolto verso il contenitore, con la parte superiore del liquido in vista. Montare una luce intensa sull'altro lato del contenitore, di fronte alla fotocamera (retroilluminazione). Inserire un foglio diffusore tra la luce e il contenitore per garantire un'illuminazione uniforme.

2. Esecuzione di esperimenti

1. Inserire un righello o un oggetto piatto di dimensioni note nel contenitore della glicerina, sopra la porta di iniezione, di fronte alla fotocamera. Registra un breve video dell'oggetto. Questo servirà una scala per mappare dalla dimensione della bolla in px e la velocità di aumento in px s^-1 a m e m s^-1, rispettivamente.
2. Utilizzando una siringa con un ago sottile(ad esempio,calibro 20). Iniettare bolle di gas di varie dimensioni attraverso la valvola di gomma nel liquido. Utilizzare la fotocamera per registrare video delle bolle che salgono attraverso il liquido.
3. Mescolare coloranti alimentari a base di olio con olio vegetale di soia (o altro olio vegetale a bassa viscosità). Usando la siringa, iniettare goccioline di olio colorate di varie dimensioni nel contenitore della glicerina. Registra video delle goccioline che salgono.

3. Analisi

1. Utilizzando software come VLC media player, esporta istantanee di immagini dal video del righello (Passaggio 2.1). In un software di editing di immagini misurare la distanza dei pixel su una lunghezza nota del dispositivo. Il fattore di scala della lunghezza può quindi essere determinato come , dove L_m è la lunghezza fisica dell'oggetto in metri e L_px è la lunghezza dell'oggetto in pixel nell'immagine.
2. Per ogni video sulla velocità di aumento delle bolle o delle goccioline, estrai le istantanee dell'immagine da quando le bolle/goccioline entrano ed escono dalla finestra di visualizzazione della fotocamera. Misurare i diametri di bolle/goccioline (orizzontali) in un software di editing di immagini (D_px). Misurare le velocità medie di aumento (U_px) come la differenza nelle posizioni del naso a bolle/goccioline divisa per i tempi video trascorsi tra le istantanee iniziali e finali dell'immagine. Converti questi valori di pixel in valori fisici come: D = sD_px e U = sU_px.
3. Valutare i numeri di Reynolds a bolle e goccioline ( ) e i coefficienti di trascinamento (Eqn. 2). Traccia questi valori e confrontali con i risultati teorici di Eqn. 3. Le proprietà del fluido a temperatura ambiente (22°C) sono:
   • Glicerina: ρ_f = 1300 kg m^-3, μ_f = 3,7 kg m^-1 s^-1
   • Aria: ρ_b = 1,19 kg m^-3
   • Olio di soia: ρ_b = 920 kg m^-3

Figura 2: (a) Schema e (b) fotografia dell'impianto sperimentale.