اثر رانک ‌ـ هیلش

پژوهشگران «انستیتو فضا»ی دانشگاه ته‌نه‌سی توضیح بنیادی برای اثر رانک‌ـ هیلش ارائه داده‌اند. منظور از این اثر، تفکیک مرموز و جالب هوای با حرکت پیچشی به جریان گرم و سرد است. آن‌ها تا این‌جا دریافته‌اند که علت این اثر صدای سوت مانندی است که در شارش گردابی وجود دارد.
در سال 1933/1312 ژرژ رانک، مهندس فرانسوی، پدیدة قابل‌توجهی کشف کرد: به‌هنگام وارد کردن هوای متراکم به داخل یک لوله از طریق سوراخ‌های ورودی مماسی (با دادن یک حرکت پیچشی)، دما در نزدیکی خط میانی لوله به حد انجماد پایین می‌آید، در حالی که در نزدیکی کنارة لوله از مقدار اولیه بیش‌تر می‌شود. این تفکیک دما بی‌کمک هیچ دستگاه مکانیکی از خارج ایجاد می‌شود. این اثر بعدها از طریق مقاله‌ای توسط رودلف هیلش، دانشمند آلمانی، مشهور شد. این وسیله، که بعدها لولة رانک‌ـ هیلش یا لولة گردابی نامیده شد، اکنون به صورت تجارتی موجود است؛ و به طور عادی به جای یخچال بدون موتور و بدون قسمت‌های متحرک برای مصارفی مثل محافظت از، و کار ماشینی با، تجهیزات برقی به‌کارمی‌رود، زیرا می‌توان حتی با هوای ورودی با دمای اتاق و فشار چندجو، که به سهولت قابل حصول است، هوای سرد زیر 255/3°K (0°F) به‌دست‌آورد.
سازوکار تفکیک دما، به‌رغم سادگی لولة رانک‌ـ هیلش، مدت‌ها موضوع مورد بحث بوده است. با وجود سعی بسیار، توضیح مناسبی برای این فرآیند پیدا نشده است. بعضی ساده‌اندیشانه آن را به شیطانک ماکسول نسبت می‌دهند. این شیطانک میکروسکوپیکی، که ماکسول در قرن نوزدهم آن را خلق کرد، با جمع کردن مولکول‌های تند در یک قسمت و مولکول‌های آهسته در قسمت دیگر هوا را به دو قسمت می‌کنند.
از مدت‌ها قبل مشخص شده است، که یک صدای «سوتی» با شدت زیاد، به نام سوتِ گردابی، از شارش گردابی به طور کلی و به‌خصوص از لولة رانک‌ـ هیلش نشاًت می‌گیرد. این سوت گردابی، که قبلاً به عنوان یک محصول جنبیِ مزاحم این نوع شارش‌های سوتی انگاشته می‌شد و نه بیش‌تر، اکنون بنا به فرضیة دانشمندان ته‌نه‌سی در واقع علت اصلی اثر رانک‌ـ هیلش است (کوروساکا).
آن‌ها برای تحقیق این امر، خفه‌کننده‌های صوتی روی یک لولة رانک‌ـ هیلش تعبیه کرده‌اند، که متناسب با سوت گردابی طراحی و کوک شده‌اند. هنگامی که ارتفاع سوت گردابی، که با افزایش شارش در داخل لوله زیاد می‌شود، به بسامد کوک‌شده می‌خورد، سطح صوت به‌ ناگهان به اندازة 25dB سقوط می‌کند، به طوری که از یک سوت گوش‌خراش به یک هیس خفه‌شده می‌رسد. در همان لحظه دمای خط وسط لوله، که تا 239/45°K (-32°F) پایین رفته بود، به 273/55°K (+33°F) می‌رسد (پرش دمایی برابر 34/1°K). در همین ضمن دما در نزدیکی محیط لوله به اندازة 10°F کم می‌شود. این موضوع حاکی از صحت این نظریه است که واقعاً سوت گردابی علت اصلی اثر رانک‌ـ هیلش است.
صوت توزیع سرعت پیچشی در جهت شعاعی را از طریق سازوکار جریان آکوستیکی تغییر شکل می‌دهد. جریان آکوستیکی، یا باد صوتی، عموماً پدیده‌ای است که در آن صوت، یا جریان‌های متناوب شاره، جریان میانگین زمانی یا مستقیم شاره را تغییر می‌دهد؛ این پدیده، به یک معنا، مانستة تولید گرمای الکتریکی توسط جریان متناوب است که بیش‌تر با آن آشنا هستیم. شارش، به علت این جریان آکوستیکی که سوت گردابی القا می‌کند، به چنان نقش‌هایی اعوجاج می‌یابد که سرعت پیچش، که نزدیک خط وسط صفر است، در راستای شعاعی مرتباً افزایش می‌یابد، مثل چرخش تایر ماشین. سرانجام، هنگامی که هوا به سکون درمی‌آید، سرعت زیادتر در کناره به دمای بیش‌تر تبدیل شده است، در حالی که سرعت کم‌ترِ نزدیک خط وسط به دمای کم‌تر تبدیل شده است.