Acoustic control of Rayleigh-regime liquid-jet breakup using a through-hole MHz transducer
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि नोजल निकास पर एकीकृत एक कॉम्पैक्ट थ्रू-होल MHz ट्रांसड्यूसर, इंटरफेशियल कोरुगेशन (अंतराफलकीय तरंगों) को प्रेरित करके और ब्रेकअप लंबाई को कम करके रेले-रेजीम तरल-जेट विखंडन को प्रभावी ढंग से नियंत्रित कर सकता है, जिसकी प्रभावकारिता रेडिएशन-प्रेशर, कैपिलरी-वेव और वेटिंग प्रभावों के युग्मित होने के कारण द्रव की श्यानता और जेट वेग के अनुसार भिन्न होती है।
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कल्पना कीजिए कि एक नल से पानी की एक धारा गिर रही है। शुरू में, यह एक चिकनी, ठोस स्तंभ जैसी दिखती है, लेकिन जैसे-जैसे यह नीचे गिरती है, इसकी सतह पर अदृश्य लहरें बढ़ती जाती हैं जब तक कि धारा व्यक्तिगत बूंदों में टूट नहीं जाती। तरल जेट का टूटने का यह स्वाभाविक गुण द्रव भौतिकी का एक मौलिक नियम है, जो सतही तनाव (surface tension) द्वारा संचालित होता है जो तरल की सतह के क्षेत्रफल को न्यूनतम आकार में सिकोड़ने की कोशिश करता है। वैज्ञानिक और इंजीनियर लंबे समय से इस प्रक्रिया को नियंत्रित करने का प्रयास करते रहे हैं। चाहे वे इंजनों के लिए ईंधन इंजेक्टर डिजाइन कर रहे हों, सटीक इंकजेट प्रिंटर बना रहे हों, या चिकित्सा स्प्रे बना रहे हों, तरल धारा के टूटने के स्थान और तरीके को सटीक रूप से निर्धारित करने की क्षमता एक महीन, समान धुंध और एक अराजक, अक्षम स्प्रे के बीच का अंतर तय कर सकती है। दशकों से, शोधकर्ताओं ने यांत्रिक कंपन, विद्युत क्षेत्रों या चुंबकीय खिंचाव का उपयोग करके इस टूटने को मजबूर करने की कोशिश की है, लेकिन प्रत्येक विधि के लिए अक्सर विशिष्ट तरल गुणों या जटिल हार्डवेयर की आवश्यकता होती है जो इसके उपयोग को सीमित करती है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब ध्वनि का उपयोग करके इस टूटने को नियंत्रित करने का एक नया तरीका प्रदर्शित किया है, विशेष रूप से उच्च-आवृत्ति वाली ध्वनि तरंगों का उपयोग जो मानव कान द्वारा सुनी जा सकने वाली सीमा से बहुत परे हैं। एक नोजल के निकास पर सीधे एक छोटा, कंपन करने वाला डिस्क रखकर, वे तरल जेट के टूटने से पहले की यात्रा की दूरी को कम करने में सक्षम हुए। यह तकनीक साधारण पानी और गाढ़े मिश्रणों दोनों पर काम करती है, जो तरल के रासायनिक मेकअप को बदले बिना या तरल में बिजली जोड़े बिना तरल धाराओं को नियंत्रित करने के लिए एक कॉम्पैक्ट और बहुमुखी उपकरण प्रदान करती है। अध्ययन से पता चलता है कि यह प्रभाव केवल पानी को हिलाने का मामला नहीं है; इसमें जेट के साथ यात्रा करने वाली ध्वनि तरंगों, नोजल के गीले होने (wetting) के तरीके और तरल के प्रवाह की गति के बीच एक जटिल परस्पर क्रिया शामिल है।
शोधकर्ताओं ने लिथियम नाइओबेट नामक एक क्रिस्टल की एक पतली परत का उपयोग करके एक विशेष नोजल बनाया, जिसमें एक विद्युत संकेत लागू करने पर कंपन करने की अनूठी क्षमता होती है। उन्होंने इस क्रिस्टल के केंद्र में एक छेद किया ताकि वह तरल के निकास के रूप में कार्य कर सके, जिससे प्रभावी रूप से नोजल ही कंपन का स्रोत बन गया। जब उन्होंने इस उपकरण के माध्यम से पानी पंप किया और 6.7 मिलियन चक्र प्रति सेकंड की आवृत्ति पर ट्यून किए गए विद्युत संकेत को चालू किया, तो क्रिस्टल तीव्रता से कंपन करने लगा। इस कंपन ने तरल के निकास के दौरान सीधे ध्वनि तरंगों को लॉन्च किया। 50,000 चित्र प्रति सेकंड कैप्चर करने में सक्षम एक हाई-स्पीड कैमरे का उपयोग करते हुए, टीम ने देखा कि क्या हुआ। बिना ध्वनि के, पानी का जेट टूटने से पहले एक अनुमानित दूरी तय करता था। जब ध्वनि चालू की गई, तो जेट ने अपनी सतह पर दृश्य लहरें विकसित कीं और बहुत पहले ही टूट गया, कभी-कभी यात्रा की दूरी को आधा कर दिया।
हालाँकि, पानी का व्यवहार एक सरल "अधिक ध्वनि = छोटा जेट" संबंध नहीं था। शोधकर्ताओं ने पाया कि ध्वनि केवल तभी प्रभावी ढंग से काम करती थी जब वह एक निश्चित शक्ति तक पहुँच जाती थी, जो एक स्विच की तरह काम करती है जो जेट को एक नई अवस्था में बदल देती है। इस सीमा (threshold) से नीचे, ध्वनि का बहुत कम प्रभाव पड़ा। एक बार जब ध्वनि पर्याप्त मजबूत हो गई, तो जेट नाटकीय रूप से छोटा हो गया। लेकिन यदि ध्वनि बहुत अधिक शक्तिशाली हो गई, तो छोटा होने का प्रभाव कम होने लगा, और जेट थोड़ा लंबा हो गया। इससे पता चलता है कि ध्वनि केवल पानी को हिला नहीं रही है; यह एक विशिष्ट भौतिक प्रतिक्रिया को सक्रिय कर रही है जिसकी अपनी सीमाएं हैं। टीम ने यह भी खोजा कि पानी के प्रवाह की गति बहुत मायने रखती है। जब पानी धीरे चल रहा था, तब ध्वनि जेट को छोटा करने में बहुत प्रभावी थी। जैसे-जैसे पानी तेजी से बहने लगा, ध्वनि कम प्रभावी हो गई, और जेट बिना किसी ध्वनि के जैसा व्यवहार करने लगा। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि तेजी से बहने वाला पानी ध्वनि तरंगों के प्रभाव में कम समय बिताता है, जिससे लहरों को स्ट्रीम को तोड़ने के लिए पर्याप्त बड़ा होने का कम समय मिलता है।
इस खोज का एक आश्चर्यजनक और महत्वपूर्ण हिस्सा वह था कि तरल ने नोजल के साथ कैसे संपर्क किया। शोधकर्ताओं ने देखा कि जब ध्वनि चालू थी, तो पानी फैलने लगता था और नोजल के आधार को भी भिगो देता था, जिसे 'वेटिंग' (wetting) कहा जाता है। यह परीक्षण करने के लिए कि क्या यह वेटिंग केवल एक दुष्प्रभाव था या प्रक्रिया का एक प्रमुख हिस्सा, उन्होंने प्रयोग किए जहाँ उन्होंने सावधानीपूर्वक गीले कोटिंग को हटाया और अन्य जहाँ उन्होंने जानबूझकर आधार पर अतिरिक्त पानी डाला। उन्होंने पाया कि केवल गीला नोजल आधार भी बिना ध्वनि के भी जेट को छोटा कर सकता था। इसका मतलब है कि ध्वनि संभवतः पानी को फैलाने में मदद करती है, और वह फैलाव, बदले में, ध्वनि तरंगों को जेट में ऊर्जा को अधिक कुशलता से स्थानांतरित करने में मदद करता है। कुल प्रभाव तरल सतह पर दबाव डालने वाली ध्वनि तरंगों, नोजल पर तरल के फैलने और परिणामस्वरूप उठने वाली लहरों के बढ़ने का एक संयोजन है।
टीम ने ग्लिसरॉल (जो सिरप और लोशन में एक सामान्य घटक है) के साथ पानी को मिलाकर गाढ़े तरल पदार्थों का भी परीक्षण किया। ये गाढ़े तरल पदार्थ अलग तरह से व्यवहार करते थे। पानी की तरह एक विशिष्ट ध्वनि सीमा का इंतजार करने के बजाय, गाढ़े जेटों ने कम वॉल्यूम पर भी ध्वनि चालू होते ही तुरंत छोटा होना शुरू कर दिया। यह इंगित करता है कि टूटने की भौतिकी इस बात पर निर्भर करती है कि तरल कितना गाढ़ा या "चिपचिपा" है। जबकि पानी को प्रक्रिया शुरू करने के लिए एक विशिष्ट धक्के की आवश्यकता थी, गाढ़े तरल पदार्थों ने ध्वनि के प्रति अधिक सीधा और तत्काल प्रतिक्रिया दी। इसके बावजूद, ध्वनि ने परीक्षण किए गए सभी तरल पदार्थों के लिए ब्रेकअप की लंबाई को सफलतापूर्वक कम किया, जिससे सिद्ध होता है कि यह विधि तरल प्रकारों की एक विस्तृत श्रृंखला में मजबूत है।
अंत में, शोधकर्ताओं ने उन बूंदों का अध्ययन किया जो जेट टूटने के बाद बनीं। उन्होंने कैमरे के दृश्य में एक आभासी रेखा को पार करने वाली दृश्य बूंदों के आकार को ट्रैक किया। उन्होंने पाया कि ध्वनि ने इन बूंदों की आबादी को बदल दिया, जिससे बिना बल वाले जेट की तुलना में आकारों का एक अलग वितरण पैदा हुआ। हालाँकि, वे इस बात पर ध्यान देने में सावधानी बरतते हैं कि उनका कैमरा केवल एक निश्चित आकार से बड़ी बूंदों को ही देख सकता था। ध्वनि ने सूक्ष्म, अदृश्य बूंदों की एक महीन धुंध भी बनाई होगी, लेकिन वे उनके उपकरणों द्वारा मापे जाने के लिए बहुत छोटी थीं। दृश्य बूंदें केवल एक सीधी रेखा में छोटी नहीं हुईं; इसके बजाय, बूंदों के आकार का पैटर्न जटिल तरीकों से बदला, जो सुझाव देता है कि ध्वनि पूरे टूटने की प्रक्रिया को बदल देती है न कि केवल अंतिम टुकड़ों को छोटा करती है।
यह कार्य उच्च-आवृत्ति वाली ध्वनि का उपयोग करके तरल जेट के टूटने को नियंत्रित करने का एक नया, कॉम्पैक्ट तरीका स्थापित करता है। ध्वनि स्रोत को सीधे नोजल में एकीकृत करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी प्रणाली बनाई है जो छोटी, कुशल और विभिन्न तरल पदार्थों पर काम करती है, जिसके लिए विशेष रासायनिक या विद्युत गुणों की आवश्यकता नहीं है। निष्कर्षों से पता चलता है कि हालांकि यह प्रभाव शक्तिशाली है, फिर भी यह प्रवाह की गति, तरल की मोटाई और नोजल पर तरल के गीले होने (wetting) के प्रति संवेदनशील है। उन उद्योगों के लिए जो सटीक स्प्रे निर्माण पर निर्भर हैं, जैसे कि प्रिंटिंग या चिकित्सा, यह तरल धाराओं को बेहतर नियंत्रण के साथ ट्यून करने के लिए एक नया उपकरण प्रदान करता है, बशर्ते प्रवाह की स्थितियों का प्रबंधन सही ढंग से किया जाए। अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि उसने स्प्रे निर्माण की हर समस्या को हल कर दिया है, लेकिन यह जेट को छोटा करने का एक स्पष्ट, दोहराने योग्य तरीका और एक नई समझ प्रदान करता है कि ध्वनि, वेटिंग और तरल गति मिलकर बूंदों की दुनिया को कैसे आकार देते हैं।
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