Позже в этом месяце на собрании Отделения гидродинамики (DFD) Американского физического общества (APS) в Питтсбурге, штат Пенсильвания., две группы исследователей раскрывают новое понимание физики мочиться.
В лаборатории Дэвида Ху из Технологического института Джорджии ученые и инженеры обращаются к природе в поисках инженерных идей. В работе, которая могла бы помочь в разработке масштабируемых гидродинамических систем, исследователи из лаборатории Ху недавно засняли мочеиспускание у 16 животных разного размера — пяти мышей, пяти крыс, одной собаки, двух коз, двух коров и одного слона.
Результаты, достижения? Размер имеет значение. Хотя маленьким животным, таким как мыши и крысы, требуется около 2 секунд, чтобы помочиться, «события» мочеиспускания у животных весом более 5 килограммов постоянно регистрируются в среднем за 21 секунду.
«У слона большой мочевой пузырь и уретра с размерами, сопоставимыми с размерами домашней трубы», — говорит аспирантка и руководитель исследования Патрисия Янг. Янг объясняет, что по мере того, как сила тяжести притягивает жидкость к дну уретры, скорость потока увеличивается, в результате чего моча выводится быстрее, чем у животных среднего размера, таких как собака, у которых уретра короче и усиливается меньше. от силы тяжести. У собаки, однако, мочевой пузырь меньшего размера, и «поэтому слон и собака опорожняют свой мочевой пузырь одновременно», — говорит она.
Однако, когда дело доходит до точности мочеиспускания, скорость и размер менее важны, чем угол, говорит специалист по гидродинамике Рэнди Херд из Университета Бригама Янга, который представит исследование динамики использования писсуара.
Херд и его научный руководитель Тэдд Траскотт (Tadd Truscott) пришли к идее работы во время ночной поездки с кофеином и сахаром из Сан-Диего после прошлогодней встречи DFD. Эти двое обдумывали новые и творческие проекты для «Splash Lab» Трускотта, в которой для изучения поведения жидкости используются высокоскоростные методы визуализации.
В Splash Lab Херд и его коллеги создали искусственную мужскую уретру на 3D-принтере. Уретра — цилиндр с эллиптическим каналом размером 8 мм x 3 мм, проходящим по центру — была присоединена трубкой к контейнеру под давлением, что позволило ему подавать постоянный поток окрашенной воды со скоростью 21 миллилитр в секунду, ожидаемая скорость потока. для здорового мужчины средних лет. Для визуализации потока использовались высокоскоростные камеры, когда он ударялся как о твердую поверхность (представляющую фарфоровую заднюю стенку большинства писсуаров), так и «свободную» поверхность (представляющую стоячую воду); белая бумага была размещена под поверхностями, чтобы отслеживать, куда попадают капли брызг.
Возможно, неудивительно, что исследователи обнаружили, что действительно можно использовать писсуар, не разбрызгивая себя или свою одежду.
Ключ? Угол.
«При типичном мужском мочеиспускании струя разбивается на капли, прежде чем ударяется о стенку писсуара или поверхность воды», — говорит он.
Значительный обратный отблеск происходит, если струя направлена перпендикулярно стенке писсуара под углом примерно 45 градусов. Но когда этот угол удара становится очень маленьким, «каплям намного легче лишь слегка изменить направление и скользить по поверхности фарфора, не создавая больших брызг», — говорит Херд, который надеется в конечном итоге создать функцию оптимизации, чтобы найти идеальный вариант. подход к использованию писсуара.
«Хотя уменьшение угла удара также будет работать в традиционных унитазах, эти углы имеют тенденцию проявляться только вокруг края унитаза, одновременно увеличивая шансы полностью пропустить чашу», — говорит Херд. "Я бы не рекомендовал этот подход никому, кроме военных снайперов."
Презентация «Гидродинамика мочеиспускания: капля или струя» состоится 24 ноября 2013 года в журнале David L. Конференц-центр Лоуренса.
Презентация «Динамика писсуаров» состоится 24 ноября 2013 г. в газете David L. Конференц-центр Лоуренса.