Zaman Keemasan Hidrodinamika
Tahun kemunculan hidrodinamika sebagai sains dapat dianggap 1628, ketika sebuah karya kecil oleh Benedetto Castelli diterbitkan. Di dalamnya, terlepas dari asumsi awal yang keliru, untuk beberapa waktu ia cukup akurat menjelaskan beberapa fenomena selama pergerakan cairan di sungai dan kanal. Namun, bahkan sebelum ini, ada upaya untuk mempelajari perlawanan dari gerakan medium ke tubuh oleh para ilmuwan terkenal seperti Leonardo da Vinci dan Galileo Galilei. Selanjutnya, Newton, Euler, Torricelli, Bernoulli, D'Alembert dan banyak lainnya memberikan kontribusi besar bagi pengembangan hidrodinamika.
Ilmu pengetahuan modern berkembang secara eksponensial. Ini karena pencapaian di satu bidang menyediakan bahan untuk membuat alat terbaru yang digunakan untuk penelitian di bidang lain. Oleh karena itu, akan adil untuk mengatakan bahwa "zaman keemasan" nyata telah datang untuk hidrodinamika. Pada saat yang sama, pendekatan penelitian telah berubah. Saat ini, metode untuk memperoleh data eksperimen telah meningkat secara signifikan. Jika sebelumnya sebuah teori dibangun dan kemudian dikonfirmasi atau disangkal oleh percobaan, hari ini teori tersebut didasarkan pada kompleks pengukuran presisi tinggi.
Untuk mempelajari aliran fluida laminar dan turbulen, Max Planck Institute sekarang menggunakan kamera yang menghasilkan hingga 1 juta frame per detik. Kamera sebelumnya 500 kali lebih lambat dan mengambil 2000 frame per detik. Saat mempelajari aliran turbulen menggunakan kamera, ribuan partikel dapat dilacak. Lintasan dan kecepatan gerakannya diubah menjadi array data, yang kemudian diproses oleh teknologi komputer yang kuat. Ini memungkinkan Anda untuk membangun model numerik dari proses dan lebih memahami sifat fenomena seperti, misalnya, turbulensi.
Mempelajari proses pembentukan tetesan di awan dapat secara signifikan meningkatkan akurasi perkiraan cuaca. Untuk tujuan ini, sebuah laboratorium stasiun penelitian lingkungan Jerman dibuat di Gunung Zugspitze (2.962 m / 9.718 kaki). Di sepanjang jalur kereta 7 meter, 4 kamera kecepatan tinggi dipasang. Ketika awan melewatinya, kamera memungkinkan untuk mempelajari secara detail detail proses yang terjadi dalam volume beberapa sentimeter kubik. Para peneliti mengamati bagaimana debu air halus di bawah pengaruh turbulensi bergabung menjadi tetesan yang lebih besar.
Dengan kata lain, mereka sedang mempelajari asal mula hujan. Tetapi para ilmuwan tidak bermaksud memikirkan kemampuan yang ada dan sudah merancang pengiriman kamera kecepatan tinggi ke awan menggunakan hibrida layang-layang dan balon.
Seberapa beragam bidang penerapan hidrodinamika dapat dinilai berdasarkan bagian utamanya:
- Lingkungan ideal - bagian ini mempelajari perilaku fluida ideal, di mana uraiannya dapat mengabaikan gesekan internal, konduktivitas termal, dan tegangan geser.
- Hidrodinamika aliran laminar - mempelajari pergerakan aliran yang seragam tanpa pulsasi dan pencampuran lapisan.
- Turbulensi adalah proses yang sangat sulit untuk dimodelkan. Turbulensi terjadi dengan penyimpangan tekanan, kecepatan, suhu, densitas yang tajam dari beberapa nilai rata-rata. Misalnya, di zona selancar, gelombang datang bercampur dengan udara untuk membentuk busa. Seringkali penumpang pesawat merasakan getaran ketika pesawat memasuki zona turbulensi. Kita juga bisa mengamati fenomena turbulensi dalam air mendidih. Ini adalah bagian yang sangat penting, yang tanpanya tidak akan dibangun satu pipa pun.
- Hidrodinamika supersonik adalah bagian khusus yang mempelajari perilaku aliran dengan kecepatan mendekati atau melampaui kecepatan suara. Fitur utama dari perilaku aliran tersebut adalah terjadinya gelombang kejut.
- Perpindahan panas dan massa - mempelajari perilaku kompleks cairan dengan distribusi temperatur yang tidak merata. Dalam hal ini, sifat-sifat medium, seperti densitas, viskositas, dan konduktivitas termal, dapat berubah secara lokal.
- Hidrodinamika geofisika - mempelajari fenomena alam pada skala planet. Ini termasuk pergerakan arus udara, arus laut dan samudera, sirkulasi dalam inti cair dan banyak lagi.
- Hidrodinamika magnetik - menggambarkan pergerakan cairan konduktif elektrik dalam medan magnet. Selain itu, bagian ini mempelajari fenomena fisika ruang: flare kromosfer di matahari, asal-usul medan magnet galaksi, bintik matahari.
- Rheologi - mempelajari pergerakan cairan nonlinear, yang meliputi gel, pasta, pseudoplastik, viskoelastik. Rheologi banyak digunakan dalam ilmu material dan dalam studi proses geofisika.
- Hidrodinamika terapan - bekerja dengan masalah ilmiah dan teknis tertentu.
Perkembangan pencetakan inkjet
Salah satu bidang hidrodinamika terapan adalah pencetakan inkjet. Selama lebih dari 15 tahun, OCE telah berkolaborasi dalam bidang ini dengan Max Planck Institute. Sekelompok ilmuwan yang dipimpin oleh Profesor Detlef Lohse sedang mempelajari proses seputar pencetakan inkjet untuk menentukan kecepatan cetak maksimum. Artinya, definisi batas ketika injeksi tinta dari nozel print head dan memperbaiki tetesan pada media akan menjadi tidak stabil.
Pada saat yang sama, berbagai cara untuk memaksimalkan dukungan bagi rezim stabilitas sedang dikembangkan.
Pencetakan inkjet modern menggunakan dua teknologi injeksi tinta. Dalam satu kasus, peran piston, mendorong setetes tinta dari nosel print head, dimainkan oleh pelat piezo, dan yang lain, dengan gelembung uap. Canon adalah satu-satunya produsen di dunia yang memproduksi peralatan inkjet menggunakan kedua teknologi tersebut. Pada saat yang sama, divisi OCE mengkhususkan diri dalam produksi printer dengan print head piezo-akustik.
OCE mengambil langkah pertama dalam pengembangan teknologi inkjet sendiri di awal 90-an abad terakhir. Perusahaan menghargai potensi besar teknologi inkjet. Tidak seperti jenis pencetakan lainnya, ada lebih sedikit bagian yang berputar. Ini berarti bahwa dengan pengurangan suku cadang, biaya awal peralatan berkurang dan waktu henti untuk perawatan berkurang. Karena itu, untuk menciptakan teknologi inkjet unik kami sendiri, perlu dipahami proses hidro-gas-dinamis. Saat itulah kemitraan mulai terbentuk dengan Institut Max Planck di Göttingen (Jerman) dan Universitas Twente (Belanda).
Para peneliti menghadapi banyak masalah menarik yang membutuhkan solusi komprehensif. Itu perlu untuk mempertimbangkan sifat fisikokimia dan optik dari tinta, cara injeksi tetesan, pengiriman tinta ke kepala, dan laju umpan media cetak. Mengubah hanya satu karakteristik mensyaratkan penyesuaian dan sisanya.
Dengan kesamaan eksternal antara teknologi piezoelektrik dan gelembung jet, mereka memiliki perbedaan serius, baik dalam proses itu sendiri maupun dalam kemampuan. Teknologi Bubble menggunakan tinta berbasis pelarut atau berbasis air. Prinsip operasi pencetakan tersebut adalah bahwa di setiap sel pencetakan ada elemen pemanas mikro. Ketika impuls listrik diterapkan, elemen memanas, dan lapisan tinta yang berdekatan mendidih. Dalam hal ini, gelembung uap terbentuk dengan tajam. Dia, pada gilirannya, melakukan fungsi semacam "piston", mendorong sebagian tinta dari nosel. Di sini, semua fenomena dinamika hidro-gas terwujud sepenuhnya.
Dalam teknologi piezoelektrik, peran "pendorong" dimainkan oleh pelat piezoelektrik. Itu mengubah geometri di bawah pengaruh impuls listrik. Karena ini, setetes tinta disuntikkan dari nozzle. Dengan memodulasi sinyal yang dipasok ke pelat piezoelektrik, dimungkinkan untuk mengatur volume tetesan dengan akurasi tinggi. Ini memberikan banyak keuntungan dari teknologi cetak piezo-akustik:
- Dosis yang tepat mengoptimalkan konsumsi tinta;
- Memberikan reproduksi warna yang akurat pada semua cetakan;
- Kemungkinan menggunakan tinta bebas pelarut (tinta UV, padatan), yang langsung mengkristal pada media dan tidak membutuhkan pengeringan;
- Sebagai konsekuensi dari paragraf sebelumnya, mengurangi konsumsi energi dan kemampuan mencetak pada media yang kritis terhadap panas;
- Kecepatan cetak tinggi yang tidak terhapuskan dan cetakan tahan aus;
- Karena kristalisasi instan dari tinta, jenis kertas yang tidak mahal dapat digunakan sebagai media pembawa, karena tetesan tersebut dipasang pada permukaan media tanpa diserap ke dalamnya.
Penelitian di bidang hidrodinamika teknologi inkjet tidak terbatas pada masalah pencetakan. Teknologi modern memungkinkan Anda mencetak di berbagai media dan menggunakan banyak komposisi pencetakan. Jadi sudah menguasai pencetakan pada gelas, kayu, logam, plastik. Baru-baru ini relatif, pencetakan volume sudah mulai dipraktekkan, memungkinkan Anda untuk mentransfer tidak hanya warna, tetapi juga tekstur volume permukaan. Dengan demikian, menjadi mungkin untuk mencetak tidak hanya pada materi, tetapi juga pada materi itu sendiri. Mungkin menemukan aplikasi dalam chip pencetakan atau pelapis layar sentuh.
Di perbatasan penelitian fundamental dan terapan, muncul perspektif baru yang tidak lagi tampak fantastis. Ada kesamaan yang signifikan antara karakteristik fisik darah dan tinta. Mereka memiliki viskositas dan fluiditas yang serupa. Tampaknya, apa hubungannya dengan pencetakan inkjet? Tapi mungkin ini adalah langkah pertama untuk mencetak jaringan hidup atau bahkan seluruh organ.