"Μαγικός" Αυλός και "Μαγικός" Μύλος (Συσκευές Ranque-Hilsch και Crookes), και "Μαγικό" καραβάκι (pop pop)

Αυλός στροβιλισμού Ranque - Hilsch

Μοιάζει πράγματι μαγικός ένας σωλήνας στον οποίο μπαίνει πεπιεσμένος αέρας, έχει πολύ απλή εσωτερική διαμόρφωση, κανένα κινούμενο τμήμα και βγάζει από τη μία άκρη του θερμό αέρα μέχρι και 100 ⁰C παραπάνω, και από την άλλη ψυχρό μέχρι και 50 ⁰C παρακάτω, από τον εισερχόμενο.

Όσο απλή όμως είναι κατασκευαστικά η συσκευή, άλλο τόσο πολύπλοκος θερμοδυναμικά είναι ο τρόπος λειτουργία της, και αυτό επειδή οι διάφορες φάσεις λειτουργίας δεν απομονώνονται αλλά βρίσκονται σε συνεχή αλληλεπίδραση, εμπλέκοντας μάλιστα το πιο πολύπλοκο είδος ροής, την τυρβώδη ή στροβιλώδη ροή. Δεν είναι συνεπώς παράδοξο ότι χρειάστηκαν πάνω από 8 δεκαετίες για να εξηγηθεί πλήρως η λειτουργία της συσκευής και να εκφραστούν σε αναλυτική μορφή (δηλαδή με εξισώσεις) τα φαινόμενα που συμβαίνουν μέσα της.

Η συσκευή εφευρέθηκε αρχικά το 1931 από τον Γάλλο Φυσικό G. Ranque, ξαναεφευρέθηκε κατά σύμπτωση λίγα χρόνια αργότερα από τον επίσης Γάλλο πυρηνικό Φυσικό Paul Dirac, ενώ το 1947 ο Γερμανός Φυσικός R. Hilsch τη βελτίωσε και δημοσίευσε μια μελέτη επάνω στη αρχή λειτουργίας της.

Όπως προαναφέρθηκε, η συσκευή αποτελείται βασικά από έναν μεταλλικό σωλήνα, κοντά στο ένα άκρο του οποίου εισέρχεται εφαπτομενικά η ροή του πεπιεσμένου αέρα. Κοντά στο ίδιο άκρο υπάρχει μια στένωση (αριστερά στην εικόνα) που επιτρέπει μόνο στη ροή κοντά στον άξονα του σωλήνα να διαφεύγει, ενώ στο άλλο άκρο υπάρχει μία κωνική τάπα, που αντίθετα, επιτρέπει να διαφεύγει μόνο η περιφερειακή ροή. Και αυτό είναι όλο!

Η λειτουργία της συσκευής έχει ως εξής: Ο συμπιεσμένος αέρας που εισάγεται εφαπτομενικά, αρχικά ψύχεται καθώς εκτονώνεται, αλλά γρήγορα θερμαίνεται καθώς δημιουργείται ένας ισχυρός στρόβιλος που ακολουθεί την περιφέρεια του σωλήνα, το θερμότερο τμήμα του οποίου, η εξωτερική στοιβάδα, διαφεύγει γύρω από τον κώνο στην άκρη του σωλήνα. Αντίθετα, το κεντρικό τμήμα του αέρα ανακλάται κοντά στον κώνο και επιστρέφει προς τα πίσω, εκτονούμενο και ψυχόμενο για να βγει τελικά από την απέναντι κεντρική οπή.

Η όλη διαδικασία γίνεται αδιαβατικά, δηλαδή χωρίς ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ των στροβίλων του αέρα με το περιβάλλον. Η μόνη ανταλλαγή θερμότητας που γίνεται είναι μεταξύ των δύο αντίθετα κινούμενων στροβίλων, είναι όμως ιδιαίτερα έντονη. Μπορούμε λοιπόν να φανταστούμε ότι ο χώρος ανάμεσα στους δύο στροβίλους δουλεύει σαν μία αντλία θερμότητας χωρίς όμως την παρεμβολή ενδιάμεσης επιφάνειας, που αφαιρεί θερμίδες από τον ψυχρότερο στρόβιλο για να τις προσθέσει στον θερμότερο. Παράλληλα, η φύση των στροβίλων είναι τέτοια που διατηρούν το σχήμα τους χωρίς να καταρρέουν και να αναμιγνύονται, ενώ η επαφή τους είναι μόνον επιφανειακή. Ο κάθε στρόβιλος δηλαδή είναι μια εγγενώς ευσταθής κατάσταση, όπως οι ανεμοστρόβιλοι ή οι "βολές στροβίλων" (εικόνα κάτω).

Βέβαια, θα αναρωτηθεί κάποιος γιατί μια τέτοια απλή συσκευή δεν χρησιμοποιείται συστηματικά για την παραγωγή ψυχρού αέρα, και η απάντηση είναι ότι είναι θορυβώδης (λαμβάνοντας υπόψη και το απαιτούμενο κομπρεσέρ), ενώ ο βαθμός απόδοσής της είναι αρκετά χαμηλότερος από αυτόν των αντλιών θερμότητας, που έχουν επικρατήσει. Μόνο σε βιομηχανικές εφαρμογές όπου υπάρχει ήδη εγκατάσταση πεπιεσμένου αέρα χρησιμοποιείται, και εκεί πάλι για τοπική ψύξη, όπως σε εργαλειομηχανές, με το πρόσθετο πλεονέκτημα η ροή του αέρα να κρατάει καθαρές τις επιφάνειες απομακρύνοντας τα ρινίσματα.

Μύλος (ραδιόμετρο) του Crookes

Το ραδιόμετρο του Crookes εφευρέθηκε κατά τύχη, από τον Βρετανό Χημικό Sir William Crookes το 1873 στη διάρκεια ζυγίσεων ακριβείας, και χρησιμοποιήθηκε αρχικά σαν όργανο μέτρησης της φωτεινής ακτινοβολίας (γι’ αυτό και το όνομα, από τις ακτίνες του φωτός).

Πρόκειται για έναν «μύλο» με τέσσερα συνήθως πτερύγια, βαμμένα άσπρα από τη μία πλευρά και μαύρα από την άλλη, που στηρίζονται σε κατακόρυφο άξονα με ελάχιστες τριβές, ενώ η όλη κατασκευή είναι κλεισμένη μέσα σε αεροστεγή σφαίρα με πίεση ιδανικά γύρω στο 1 Pa (10 μBar).

Ακόμα και σήμερα, που χρησιμοποιείται σαν συσκευή επίδειξης, θεωρείται ότι αντιδρά στη φωτεινή ακτινοβολία μέσα από την «πίεση» που ασκούν τα φωτόνια στα πτερύγια της συσκευής, κάτι όμως που είναι λάθος. Πράγματι, σύμφωνα με το θεώρημα διατήρησης της ορμής, στην περίπτωση αυτή θα έπρεπε η μαύρη πλευρά των πτερυγίων να προηγείται κατά την περιστροφή (καθώς στην άσπρη που αντανακλά τα φωτόνια, συμβαίνει μεγαλύτερη μεταβολή της ορμής τους), ισχύει όμως το αντίθετο!

Η τελική εξήγηση για τη λειτουργία της συσκευής δόθηκε από τον O. Reynolds (γνωστό κυρίως από τον ομώνυμο αριθμό Re στην Αεροδυναμική) το 1879, σύμφωνα με την οποία η κίνηση των πτερυγίων οφείλεται στο διαφορετικό βαθμό θέρμανσης των επιφανειών τους εξαιτίας της χρωματικής διαφοράς. Ο αέρας που είναι σε επαφή με την ψυχρότερη άσπρη πλευρά κινείται προς τη θερμότερη μαύρη πλευρά, και καθώς παρακάμπτει τις ακμές τα πτερύγια από αντίδραση κινούνται αντίθετα, δηλαδή με την άσπρη πλευρά να προπορεύεται.

Είναι ενδιαφέρον ότι η συσκευή δουλεύει μόνο με πηγές ακτινοβολίας που εκπέμπουν υπέρυθρη ακτινοβολία ακόμα και αν δεν εκπέμπουν ορατό φως. Για παράδειγμα, οι λάμπες φθορισμού λευκού «ψυχρού» φωτός δεν την ενεργοποιούν.

Επίσης, αν η πίεση του αέρα στο εσωτερικό της σφαίρας είναι πολύ μεγαλύτερη ή μικρότερη του 1 Pa ο μύλος πάλι δεν ενεργοποιείται, είτε επειδή η αντίσταση του αέρα είναι μεγάλη (στην πρώτη περίπτωση) είτε επειδή δεν υπάρχει αρκετή μάζα αέρα για να μετακινηθεί ώστε να δημιουργηθεί αντίδραση.

Έτσι, ενώ η συσκευή του Crookes είναι τελικά μία θερμική μηχανή, το 1901 ο Αμερικανός Φυσικός Ernest Nichols κατασκεύασε το ομώνυμο ραδιόμετρο, το οποίο πράγματι δουλεύει με την πίεση των φωτονίων (εικόνα κάτω). Στην περίπτωση αυτή οι δίσκοι περιστρέφονται ελαφρά, όσο δηλαδή τους επιτρέπει η ελαστικότητα της ανάρτησής τους, το κενό στη φιάλη είναι πολύ υψηλό, ενώ η φωτεινή δέσμη εστιάζεται αποκλειστικά στον έναν δίσκο.

Το "παράδοξο", που δεν είναι, (και το pop pop)

Ο τίτλος αναφέρεται σε κάτι φαινομενικά παράδοξο, που συχνά ονομάζεται "ακροφύσια Feyneman" ή "ανάστροφα ακροφύσια", αλλά μάλλον πρόκειται για παρεξήγηση.

Τα κυρτά ακροφύσια είναι γνωστά από την "ατμομηχανή" του Ήρωνα, ενώ στις μέρες μας και από κάποια συστήματα αυτόματου ποτίσματος.

Είναι προφανές το πώς δουλεύει ένα σύστημα κυρτών ακροφυσίων (εικόνα κάτω, 1). 

Τα ακροφύσια δουλεύουν αρκετά αποτελεσματικά και μέσα στο νερό, προφανώς όμως στην περίπτωση αυτή το νερό εκτοξεύεται σε πολύ μικρή απόσταση, εξαιτίας της αντίστασης του νερού που περιβάλλει το σύστημα. Εφόσον όμως τα ακροφύσια βρίσκονται βυθισμένα μέσα σε νερό, μπορούμε επίσης να αντιστρέψουμε τη ροή του νερού και τότε θα δούμε το σύστημα να περιστρέφεται αντίστροφα, αλλά πολύ πιο αργά (εικόνα επάνω, 2).

Δεν υπάρχει όμως κάτι το παράδοξο, αν σκεφτούμε τη ροή του υγρού κοντά στα ακροφύσια, που ενώ στην πρώτη περίπτωση μένει συγκεντρωμένη σε συμπαγή δέσμη, στη δεύτερη περίπτωση αναρροφάται κυρίως από τα πλάγια, δημιουργώντας (πολύ μικρότερες) δυνάμεις αντίδρασης κατά τον άξονα του ακροφυσίου (εικόνα κάτω).

Το "ταπεινό" και κλασικό παιχνίδι -καραβάκι pop pop ή putt putt (εικόνα κάτω) είναι ουσιαστικά μία έξυπνη και πολύ απλή (και επίσης πολύ παλιά, 1920!) εφαρμογή του "ακροφυσίου του Feyneman", σ' ένα μικρό τενεκεδένιο παιχνίδι.

Η αρχή του βασίζεται σ' ένα μεταλλικό τύμπανο με δύο σωληνάκια που διαπερνούν την πρύμνη του σκάφους και καταλήγουν μέσα στο νερό. Αρχικά το σύστημα γεμίζει με νερό, και ένα κεράκι τοποθετείται κάτω από το τύμπανο για να το ζεστάνει. Όταν ο αέρας (που αναπόφευκτα περιέχεται στο τύμπανο θερμανθεί αρκετά, διαστέλλεται και σπρώχνει το νερό έξω από τα σωληνάκια. 

Η ορμή του νερού ωθεί το βαρκάκι, αλλά επίσης δημιουργεί υποπίεση που αμέσως μετά τραβάει πάλι νερό μέσα στο σωληνάκι. Αυτό δημιουργεί μία ταλάντωση στη στήλη του νερού μέσα στα σωληνάκια (δουλεύει και με ένα σωληνάκι) και ο κύκλος επαναλαμβάνεται μέχρι να σβήσει το κεράκι. 

Η προώθηση βασίζεται ακριβώς στο φαινόμενο με τα ακροφύσια που περιεγράφηκε παραπάνω. 

                                                                                                                             Γ. Μεταξάς