Szuper spirálok

A törékeny hínár úgy tudja túlélni a viharokat, hogy spirálisan tekeredik.

A tengeri hínár megtalálta a módját, hogyan birkózzon meg a nagy vízmozgással és a viharokkal: spirál alakban nő, ezzel a legkisebb ellenállás útját követi. A spirál ívelt forma, amely egy központi pont, tengely vagy vonal körül kanyarog. Számos különböző típusú spirál létezik, mindegyiknek megvannak a maga egyedi tulajdonságai és jellemzői. A természetben a spirálok általánosan előfordulnak (például a csigaházakban), ahol olyan funkcionális célokat, mint a védelem vagy a mozgás, szolgálnak.

Jay Harman feltaláló és vállalkozó gyerekkorában észrevette, hogy a hínárok azonos módon, spirálisan tekerednek, így engedik tovább a vizet. Felkeltette az érdeklődését a spirális forma, amely sok helyen megtalálható a természetben: a hínároktól kezdve a vízfolyásokon át a héjszerkezetekig, néhány agancs alakja, a napraforgó tányérja és a saját DNS-ünk. Felnőttként tanulmányozta a folyadékok áramlásának hátterében rejlő matematikát, és ezt olyan eszközök kitalálásánál alkalmazta, amelyek sokkal kevesebb energiát és anyagot használnak fel, mint az elődjeik.

Kétféle módon fogunk pillepalackokból vizet kiüríteni. Melyik a gyorsabb?

Feladat leírása:

Miért folyik a víz spirál alakban?

Egyszerű magyarázat (9-10 éveseknek)

A víz is gyakran spirálisan folyik; ezt láthatjuk, ha például a fürdőkádból kihúzzuk a dugót, hogy lefolyjon a víz. A lefolyóba zúduló víz gyorsabban mozog, mint a lefolyótól távolabb található víz. Amikor a víz az egyik helyen gyorsabban mozog, mint egy másikon, akkor forogni kezd. Az áramló víz görbülete ekkor spirált kezd formálni. Ezt a spiráltípust, amikor a görbület távolsága növekszik, miközben körbejár egy pont körül, „növekedési spirálnak” is nevezik.

Haladó magyarázat (11-12 éveseknek)

A víz is gyakran spirálisan folyik; ezt láthatjuk, amikor kihúzzuk a dugót a kádból, hogy lefolyjon a víz. A víz már előtte is mozog, bár túl lassú ahhoz, hogy észre vegyük. Amint kihúzzuk a dugót, a víz mozgása felgyorsul, mert szűkebb csatornán kell áthaladnia. Amikor a víz egy helyen gyorsabban mozog, mint egy másik helyen, akkor tornádószerű spirált képezve forog, hogy alkalmazkodjon az új körülményekhez. Ezt a spiráltípust, amikor a görbület távolsága növekszik, miközben körbejár egy pont körül, „növekedési spirálnak” is nevezik. 

Ahogy a víz forog, a kör közepén alacsony nyomású terület keletkezik. Az alacsony nyomású terület több vizet szív be a környező részekről, ami a forgó vizet egyre gyorsabbá teszi. Ezt a jelenséget „örvénynek” nevezik, amely egy tengely körül forgó, örvénylő folyadékáramlás. 

A fürdőkád lefolyójánál keletkező örvény nagyságát és viselkedését számos tényező befolyásolhatja, mint például a nyílás mérete és alakja, a víz viszkozitása és hőmérséklete, valamint az áramlásban lévő akadályok. Az örvények és viselkedésük megértése fontos lehet olyan területeken, mint a folyadékdinamika és a vízgépészet*, ahol számos valós alkalmazásban játszanak szerepet. 

*:A víz kinyeréséhez, tisztításához és a fogyasztók felé továbbításához szükséges műszaki megoldásokkal foglalkozó szakág, vagyis a csövek, átemelők, gépek és berendezések tervezése és kiépítése tartozik ide.

Hogyan segít a spirálforma a hínárnak?

A tengeri moszat, ami a nagy barna hínár egyik fajtája, az óceán vizének mozgása miatt spirálisan mozog. Itt a vizet erős áramlatok és hullámok mozgatják. 

Amikor mozog a víz a tengeri moszat körül, súrlódás alakul ki a növény felületén, aminek hatására elkezd inogni és meghajlani. Idővel ezek az ismételt hajlítások és kilengések spirális mintázatot hoznak létre, mivel a moszat a legkisebb ellenállású utat igyekszik megtalálni az áramlásban. Ezt a spirális növekedést számos tényező befolyásolhatja, mint például az áramlatok iránya és erőssége, más víz alatti tárgyak és élőlények jelenléte, valamint magának a moszatnak a biológiai és élettani tulajdonságai. 

A tengeri moszat spirális növekedése különféle ökológiai előnyökkel járhat, például növeli a fotoszintézishez rendelkezésre álló felületet, így javítja a hínár tápanyag- és napfényfelvételi képességét. Segíthet abban is, hogy a moszat jobban ellenálljon az óceáni áramlatok és hullámok erőinek, ami csökkentheti a károsodás veszélyét és segít a túlélésben.

A természetben megfigyelt víz áramlási mintázatától vette az ötletet Jay Harman a „Lily impeller”-t (liliom terelőlapát) megalkotásához: ez egy vízkeverő szerkezet, ami az örvények áramlási mintáját utánozza spirális mintázatban elhelyezett lapátsorral. A lapátok spirális formájuknak köszönhetően sima, nem turbulens vízáramlást hoznak létre forgásuk során. Mivel a vízkeverő forgatásához minimális energiabevitel szükséges, ezért használata csökkenti a víz keveréséhez és keringetéséhez szükséges energia mennyiségét. Így csökkenteni lehet az energiafelhasználásból származó környezeti ártalmakat, miközben pénzt is meg lehet takarítani vele. Mivel gyenge vízáramlást hoz létre, a Lily impeller használatával csökkenhet a halak vagy más vízi élőlények károsodásának kockázata az erős áramlatok vagy a víz turbulenciája miatt.

A Lily impeller-t számos helyen használják már, beleértve a víz- és szennyvízkezelést, valamint az ipari folyamatokat is.

Környezetismeret/Természettudomány

·         Az élettelen anyagok érzékelhető tulajdonságai

·         A víz tulajdonságai

Technika és tervezés (Technológia)

·         Természetes és mesterséges környezet megfigyelése

·         Kreativitás fejlesztése

Digitális kultúra (Mérnöki tudományok, mérnöki tudományok)

·         Az online és az offline környezet összehasonlítása

·         Információszerzés az e-világban

Vizuális kultúra (Művészetek)

·         Technológia és hagyomány

Matematika

·         Mintázatok megfigyelése

Magyar nyelven:

Angol nyelven:

Részletesebb magyarázat a vízörvényekől (tovább a cikkhez).

Ebben a videóban azt lehet megnézni, hogyan mozognak a hínárok.

Hogyan találják fel a turbinákat az örvények elve alapján? Megnézhetjük ebben a videóban.