Est-il possible de tirer une boule d'eau qui garde sa forme?

Question

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Contexte

Je participe chaque année à une énorme bataille de montgolfières. Le choc se produit entre deux universités, alors vous pouvez imaginer que l'engagement, du moins pour certaines personnes, est assez élevé. Pour vous donner une idée l’année dernière, quelque 40000 ballons d’eau (soit 40e3) ont été lancés, ainsi que des machines de guerre faites maison, à savoir une catapulte, un trébuchet, des arquebuses fonctionnant à l’air comprimé et autres. La sécurité est bien sûr la principale préoccupation et rien de plus que des ballons d'eau / eau n'a jamais été lancé.

Question réelle

Je veux construire un canon à eau et j'aimerais avoir quelques conseils / des idées. Qu'est-ce que j'entends par canon à eau? Je veux dire une machine capable de projeter beaucoup d'eau, de 1 à 3 litres, à environ 20 mètres au moins , sous la forme d'un boulet de canon plutôt que d'un ruisseau.

Est-il possible pour une "goutte" d'eau de conserver sa forme après avoir été tirée en l'air à une certaine vitesse, au moins pour une portée limitée? Je vois deux défis: accélérer l'eau et "la maintenir ensemble "en l'air. Ce dernier peut être réalisé avec un récipient en plastique (tel qu'un ballon), tandis que la première partie peut être plus délicate. Les ballons ont tendance à se déchirer et à exploser s'ils sont trop accélérés, alors que laisser le ballon dehors peut rendre le deuxième défi impossible.

La conception que j'envisage pourrait avoir un énorme réservoir relié à un plus petit qui sert de " chambre de tir. " Vous remplissez la chambre de tir, puis fermez la ligne entre le réservoir et la chambre de tir, puis vous ouvrez une autre ligne qui lance l'eau à travers un canon. L'idée est d'utiliser de l'air comprimé mais ma principale préoccupation est que l'eau ne maintiendra pas une forme de "boule" en l'air.

Contraintes

La meilleure solution pour moi serait celui qui fonctionne dans les limites de la bataille des ballons à eau.

• Environ 100 € de coût matériel.
• Aucun feu n'est autorisé dans le système de propulsion, l'air comprimé est bon mais aucun compresseur électrique n'est autorisé, l'efficacité est donc un must. Notre arquebus pourrait tirer un ballon de la taille d'un citron à environ 50 m sur environ 2 atm.
• La sécurité est absolument la principale préoccupation. Sans aucune raison, il peut y avoir des risques pour les opérateurs ou les opposants. Nous avons expérimenté un obus de tir avec notre arquebuse car le frottement avec le canon détruirait le ballon, et l'obus a été fixé au canon avec de nombreux fils redondants pour être sûr de ne pas le tirer aussi.

La main-d'œuvre et le temps sont pratiquement illimités si le projet est cool. Nous avons des compétences manuelles très élevées et de nombreux outils communs et pas si courants.

Answer 1

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Vous n'avez besoin de rien d'aussi élaboré pour lancer des ballons à eau assez bien. En fait, j'ai été expulsé d'un dortoir à l'université en raison d'un "incident de ballon d'eau".

Il s'avère que les tubes chirurgicaux font un excellent élastique. Il peut s'étirer jusqu'à environ 4 fois sa longueur de repos et est assez efficace pour restituer l'énergie stockée. Nous avons utilisé environ 2,5 pieds de tube doublé de chaque côté d'un panier. Cela signifie qu'une fois étiré jusqu'au retour, le tube mesurait 10 pieds de long de chaque côté. Cela fait quelques kilos de traction.

Pour le panier, nous avons utilisé le plus grand entonnoir en plastique disponible dans l'épicerie locale. Découpez des trous sur les côtés opposés de la partie large pour chacun des cordons de tubes chirurgicaux. L'entonnoir forme une belle forme pour contenir le ballon à eau, et le trou dans la petite extrémité laisse entrer l'air afin que le ballon puisse sortir du panier sans se coincer par l'aspiration d'air.

Cet appareil simple et bon marché a fonctionné très bien. Nous tirions des ballons d'eau d'environ 1 livre, ce qui est à peu près aussi massif que vous le devriez avec quelque chose qui va aussi vite. Nous pourrions facilement tirer au-dessus d'une aile du dortoir qui était 4 étages au-dessus d'où nous tournions. Nous avions les deux personnes qui tenaient les extrémités libres du tube chirurgical assis sur un mur de béton, avec la troisième personne en dessous sur le sol. L'angle de lancement était assez proche de l'optimum, et je dirais que nous pourrions tirer environ 75 mètres, peut-être même un peu plus.

Une autre fois, nous tournions depuis le balcon d'un dortoir sur une colline, probablement à environ 20 m de la rue. Même si l'angle de lancement n'était que modérément vers le haut, nous pourrions tirer un peu dans la cour derrière un bâtiment de l'autre côté de la rue, probablement à environ 100 m de distance horizontale totale.

Avec deux personnes tenant les extrémités sur un sol plat, vous n'atteindrez pas l'angle de lancement pour une distance maximale, mais vous ne voulez probablement pas optimiser pour cela de toute façon. Vous pouvez toujours faire un gréement pour maintenir les extrémités du tube et permettre la rotation de l'ensemble du mécanisme de visée et autres. Cela dépend de la fantaisie que vous souhaitez obtenir. Trois personnes sont très bon marché, mobiles, s'installent facilement et peuvent facilement faire du feu et courir.

Answer 2

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Cette question précise a été étudiée en détail. Comme l'a suggéré Olin Lathrop, il existe une taille de goutte maximale. Ainsi, les "boules" d'eau auront tendance à se briser en gouttelettes plus petites. Quelle sera la taille de la plus grosse gouttelette stable? La réponse est que cela dépend de la tension superficielle de l'eau, de la vitesse à laquelle la gouttelette est lancée, du coefficient de traînée et de la densité de l'air atmosphérique. Vous avez peu de contrôle sur la plupart d’entre eux, bien que vous puissiez obtenir une augmentation modeste (~ 6%) de la tension superficielle en utilisant de l’eau presque glaciale (ce qui peut être avantageux dans cette situation pour d’autres raisons également). N'utilisez pas d'eau réellement gelée, car si cela résoudrait le problème de la rupture, ce serait extrêmement dangereux.

Voici une équation qui vous donne une idée de la façon dont les choses varient (à partir du livre Atomisation et sprays par A. Lefebvre):

$$ D_ \ text {max} = \ frac {8 \ sigma} {C_ \ text {D} \ rho_ \ text {a} U ^ 2} $$

où $ D_ \ text {max} $ est le diamètre maximum, $ \ sigma $ est la tension superficielle de l'eau, $ C_ \ text {D} $ est la traînée coefficient de la gouttelette, $ \ rho_ \ text {a} $ est la densité de l'air atmosphérique et $ U $ est la vitesse à laquelle la gouttelette est lancée.

À partir de cette équation, vous pouvez voir que la tension superficielle est plus élevée est mieux, et les lancements plus rapides nuisent à la taille des gouttes. En branchant des nombres plausibles, j'obtiens une taille de gouttelette maximale de l'ordre du centimètre en supposant que la vitesse de lancement est de 10 m / s. Ces gouttelettes ne sont pas très grosses mais peuvent convenir à votre application.

Sur un point connexe, comme vous pouvez le voir dans le livre auquel j'ai lié, non, la "boule" ne conservera pas sa forme. Le livre donne une série d'illustrations pour montrer les éventuelles distorsions que la goutte subira avant la rupture ( par exemple).

Le ballon à eau agit de la même manière qu'un fluide avec une tension superficielle extrêmement (impossible) élevée. La tension dans le ballon lui-même est assez similaire à la tension superficielle. Donc, je pense qu'il est dans votre intérêt de continuer à utiliser des ballons. Vous pouvez éviter de sauter pour un canon à air comprimé avec un sabot.

Answer 3

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Vous avez totalement changé la question en la modifiant, donc maintenant je donne une réponse différente d'avant. Je vais laisser la réponse originale rester car ce qu'elle dit est toujours valide, bien que ce ne soit plus aussi pertinent.

Non, vous ne pouvez pas tirer des "boules" d'eau. Le liquide circulant dans l'air ne fonctionne pas de cette façon. Toute balle dépassant la taille d'une goutte se briserait, et les gouttes ont trop peu de masse pour que leur résistance à l'air puisse être tirée à la distance souhaitée.

Une boule d'eau est maintenue par sa tension superficielle. Dans un environnement en apesanteur, vous pouvez avoir des boules d'eau qui restent ensemble. Cependant, cela ne fonctionne plus lorsque la balle se déplace dans les airs. À mesure que la taille d'une balle augmente, les forces de pression de l'air sur celle-ci augmentent également, mais la force de tension superficielle reste la même. Ensuite, il y a aussi la vitesse de la balle. Au fur et à mesure que la taille de la balle augmente, la vitesse finale augmente également et les forces aériennes sur la balle vont avec le carré de la vitesse.

Tout cela signifie que les balles de liquide se déplaçant dans l'air sont intrinsèquement limitées dans Taille. Voilà ce qu'est une «goutte». Il y a une raison pour laquelle les gouttes de pluie n'atteignent qu'une certaine taille. Une goutte de pluie de taille maximale dans un nuage augmentera lorsqu'elle atteindra d'autres micro-gouttes de nuage en descendant. S'il devient trop gros, les forces aériennes sur lui deviennent plus grandes en raison de sa seule taille. En même temps, la vitesse augmente et la force aérienne augmente avec le carré de cette vitesse. Tous ces facteurs ensemble limitent l'eau à 1 atm d'air à environ 50 µl.

Answer 4

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Options

Il est probablement possible de faire quelque chose de similaire à ce que vous voulez. Cela dépend vraiment de la portée que vous recherchez et de votre inquiétude quant au fait que ce soit une "boule".

Tuyau d'incendie

Si un tuyau d'incendie peut projeter un jet d'eau , alors tout ce dont vous avez besoin est un jet d'eau très court. Ce n'est peut-être pas une "balle" comme vous le souhaitez, mais cela ferait passer de l'eau sur le terrain. Pour obtenir la portée, vous devrez peut-être faire plus d'un ruisseau qu'une courte rafale.

Fontaine laminaire

Pour qu'un "paquet" compact d'eau reste ensemble, vous aura besoin d'une buse spéciale et d'un système d'eau. Quelque chose de similaire est utilisé dans les fontaines. On dirait que l'expression est jumping jets ou laminar fountain . Ce sont des fontaines qui gardent leur forme et ont un début et une fin très brusques.

Il y a deux facteurs de contrôle pour ces types de fontaines:

1. Mécanisme de démarrage et d'arrêt brusques.
2. Eau à écoulement laminaire.

Démarrer et arrêter

Un disque en rotation avec un trou à l'intérieur peut créer un motif marche / arrêt répétitif. Cela pourrait être alimenté par une perceuse sans fil ou quelque chose de similaire. Le débit peut être ajusté en espaçant les trous.

Eau laminaire

Garder l'eau qui coule laminaire va être le plus gros problème. L'écoulement laminaire est défini par le nombre de Reynolds inférieur à 2100. Pour la situation de l'eau s'écoulant dans un tube: $$ R_e = (2,475 × 10 ^ 6) * v * D < 2100 \\ où: \\ v = vitesse (m / s) \\ D = diamètre (m) $$

L'exigence pour que l'écoulement soit laminaire va restreindre la vitesse de l'eau sortant du tube. Cela affectera directement la portée de tir de l'eau. Il se peut qu'à la fin, il n'y ait tout simplement pas autant de portée que vous le souhaitez.

Découvrez quelques didacticiels sur les fontaines laminaires de bricolage pour découvrir les différentes façons dont ces flux ont été créés. Quelques exemples que j'ai trouvés via une recherche sur le Web sont: Les fontaines laminaires pour les maths et Le forum du projet laminaire pour d'autres idées.

Pression de l'eau

Vous semblez avoir des limites sur la façon dont vous pouvez créer la pression de l'eau. Vous mentionnez que l'air comprimé est une option, donc aller de l'avant avec un réservoir sous pression pour l'eau semble être la voie la plus raisonnable.