Demonstration of time-symmetry breaking in a jet flow

Abstract

Although the Newton laws are time-reversible, we can observe lot of systems, which are irreversible in time. One of such a simple system is the fluid jet, i.e. a case, when a fluid flows into or out of a tank through an orifice (hole). In the case of flow out, the fluid approaches towards the hole from all directions symmetrically, the flow sustains laminar up to high pressure gradients and the fluid velocity decreases with second power of distance (in 3D, in 2D it does with first power). Thus the drag force decreases with 4th power of distance. On the other hand, if the fluid is pushed into this tank, then the fluid inertia conserves the direction creating a fluid structure known as jet – the column of moving fluid with a plume on its head. The boundaries of this moving column are home of the famous Kelvin-Helmholtz instability creating vortices, which spreads out into the entire jet and its surroundings. The turbulence soon fills the entire vessel and mix it powerfully.In total, a simple device consisting just of a tank and a syringe can show various effects from details of fluid mechanics up to philosophical problems of the universe. We would like to present this device in the END conference as a poster. Look at our youtube video: https://youtu.be/BiuOKTng8jE

Přestože jsou Newtonovy zákony časově vratné, můžeme pozorovat mnoho systémů, které jsou v čase nevratné. Jedním z takových jednoduchých systémů je proud tekutiny, tj. případ, kdy tekutina proudí do nebo z nádrže otvorem (otvorem). V případě vytékání se tekutina přibližuje k otvoru ze všech směrů symetricky, proudění udržuje laminární až vysoké tlakové gradienty a rychlost tekutiny klesá s druhou mocninou vzdálenosti (ve 3D, ve 2D s první mocninou). Tak se odporová síla snižuje se 4. mocninou vzdálenosti. Na druhou stranu, pokud je tekutina tlačena do této nádrže, pak setrvačnost tekutiny zachovává směr a vytváří strukturu tekutiny známou jako proud – sloupec pohybující se tekutiny s oblakem na hlavě. Hranice tohoto pohyblivého sloupce jsou domovem slavné Kelvin-Helmholtzovy nestability vytvářející víry, které se šíří do celého výtrysku a jeho okolí. Turbulence brzy naplní celou nádobu a silně ji promíchá.Celkem jednoduché zařízení sestávající pouze z nádrže a injekční stříkačky může ukázat různé efekty od detailů mechaniky tekutin až po filozofické problémy vesmíru. Rádi bychom toto zařízení představili na konferenci END jako poster. Podívejte se na naše youtube video: https://youtu.be/BiuOKTng8jE