עבודה זו נתמכה על ידי הסוכנות למחקר, באמצעות תוכנית המסגרת השביעית של האיחוד האירופי, תמיכה בהכשרה ופיתוח קריירה של חוקרים (מארי קורי - FP7-PEOPLE-2012-ITN), אשר מימנה את רשת ההדרכה הראשונית (ITN) HYTECH &quot;הידרודינמית תחבורה בממשקים הטרוגניים קריטיים מבחינה אקולוגית&quot; (מס &#39;316546). הוא נתמך גם על ידי פולו טריטוריאלית די לקו של הפוליטניקו די מילאנו. הניסויים בוצעו במהלך ביקור של ס&quot;ס בפוליטניקו די מילאנו כמדען אורח. המחברים מודים לטארסיסיו פאציני, סטפניה גרבי, פרנצ&#39;סקו מוטיני (תלמידי B.Sc בפוליטניקו די מילאנו) וסייד עבאס חוסייני-סאדבאדי (עמית בפרויקט הייטק ותלמיד דוקטורט בפוליטניקו די מילאנו) על תמיכתו פעילות ניסויית וניתוח הנתונים. המחברים מודים בהכרת תודה לפרופ &#39;רוג&#39;ר נוקס (אוניברסיטת קנטרברי, קרייסטצ&#39;רץ&#39;, ניו זילנד) על מתן ה- Sתוכנות treams ועצות מתמיד. לבסוף, המחברים מודים לעורך הניהול של JoVE ושלושה מבקרים אנונימיים על הערותיהם ומעוררי המחשבות שלהם, שבזכותם כתב היד יכול להשתפר בצורה משמעותית.

<ol>
	<li>Francis, J. R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experiments+on+the+motion+of+solitary+grains+along+the+bed+of+a+water-stream.">Experiments on the motion of solitary grains along the bed of a water-stream.</a> Proc Royal Soc London, A. 332, 443-471 (1973).</li><li>Drake, T. G., Shreve, R. L., Dietrich, W. E., Whiting, P. J., Leopold, L. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bedload+transport+of+fine+gravel+observed+by+motion-picture+photography.">Bedload transport of fine gravel observed by motion-picture photography.</a> J Fluid Mech. 192, 193-217 (1988).</li><li>Campagnol, J., Radice, A., Ballio, F., Nikora, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Particle+motion+and+diffusion+at+weak+bed+load:+accounting+for+unsteadiness+effects+of+entrainment+and+disentrainment.">Particle motion and diffusion at weak bed load: accounting for unsteadiness effects of entrainment and disentrainment.</a> J Hydraul Res. 53 (5), 633-648 (2015).</li><li>Fathel, S. L., Furbish, D. J., Schmeeckle, M. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+evidence+of+statistical+ensemble+behavior+in+bed+load+sediment+transport.">Experimental evidence of statistical ensemble behavior in bed load sediment transport.</a> J Geophys Res: Earth Surf. 120 (11), 2298-2317 (2015).</li><li>Lajeunesse, E., Malverti, L., Charru, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bedload+transport+in+turbulent+flow+at+the+grain+scale:+experiments+and+modeling.">Bedload transport in turbulent flow at the grain scale: experiments and modeling.</a> J Geophys Res: Earth Surf. 115, F04001 (2010).</li><li>Tsakiris, A. G., Papanicolaou, A. N., Lauth, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Signature+of+bedload+particle+transport+mode+in+the+acoustic+signal+of+a+geophone.">Signature of bedload particle transport mode in the acoustic signal of a geophone.</a> J Hydraul Res. 52 (2), 185-204 (2014).</li><li>Mendes, L., Antico, F., Sanches, P., Alegria, F., Aleixo, R., Ferreira, R. M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+particle+counting+system+for+calculation+of+bedload+fluxes.">A particle counting system for calculation of bedload fluxes.</a> Meas Sci Technol. 27 (12), 125305 (2016).</li><li>Heays, K. G., Friedrich, H., Melville, B. W., Nokes, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantifying+the+dynamic+evolution+of+graded+gravel+beds+using+Particle+Tracking+Velocimetry.">Quantifying the dynamic evolution of graded gravel beds using Particle Tracking Velocimetry.</a> J Hydraul Eng. 140 (7), 04014027 (2014).</li><li>Radice, A., Malavasi, S., Ballio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solid+transport+measurements+through+image+processing.">Solid transport measurements through image processing.</a> Exp Fluids. 41 (5), 721-734 (2006).</li><li>Radice, A., Ballio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Double-average+characteristics+of+sediment+motion+in+one-dimensional+bed+load.">Double-average characteristics of sediment motion in one-dimensional bed load.</a> Acta Geophys. 56 (3), 654-668 (2008).</li><li>Radice, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Use+of+the+Lorenz+curve+to+quantify+statistical+nonuniformity+of+sediment+transport+rate.">Use of the Lorenz curve to quantify statistical nonuniformity of sediment transport rate.</a> J Hydraul Eng. 135 (4), 320-326 (2009).</li><li>Radice, A., Ballio, F., Nikora, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+statistical+properties+of+bed+load+sediment+concentration.">On statistical properties of bed load sediment concentration.</a> Water Resou. Res. 45 (6), W06501 (2009).</li><li>Radice, A., Ballio, F., Nikora, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Statistics+and+characteristic+scales+for+bed+load+in+a+channel+flow+with+sidewall+effects.">Statistics and characteristic scales for bed load in a channel flow with sidewall effects.</a> Acta Geophys. 58 (6), 1072-1093 (2010).</li><li>Campagnol, J., Radice, A., Ballio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scale-based+statistical+analysis+of+sediment+fluxes.">Scale-based statistical analysis of sediment fluxes.</a> Acta Geophys. 60 (6), 1744-1777 (2012).</li><li>Radice, A., Nikora, V., Campagnol, J., Ballio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Active+interactions+between+turbulence+and+bed+load:+Conceptual+picture+and+experimental+evidence.">Active interactions between turbulence and bed load: Conceptual picture and experimental evidence.</a> Water Resour Res. 49 (1), 90-99 (2013).</li><li>Campagnol, J., Radice, A., Nokes, R., Bulankina, V., Lescova, A., Ballio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lagrangian+analysis+of+bed-load+sediment+motion:+database+contribution.">Lagrangian analysis of bed-load sediment motion: database contribution.</a> J Hydraul Res. 51 (5), 589-596 (2013).</li><li>Ballio, F., Radice, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluctuations+and+time+scales+for+bed-load+sediment+motion+over+a+smooth+bed.">Fluctuations and time scales for bed-load sediment motion over a smooth bed.</a> Int J Sediment Res. 30 (4), 321-327 (2015).</li><li>Hosseini-Sadabadi, S. A., Radice, A., Ballio, F., Rowi&#324;ski, P. M., Marion, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+analysis+of+entrainment+and+deposition+rate+fluctuations+in+weak+bed+load+transport.">An analysis of entrainment and deposition rate fluctuations in weak bed load transport.</a> Hydrodynamic and mass transport at freshwater aquatic interfaces. , 333-342 (2016).</li><li>Papanicolaou, A. N., Diplas, P., Balakrishnan, M., Dancey, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Computer+vision+technique+for+tracking+bed+load+movement.">Computer vision technique for tracking bed load movement.</a> J Comput Civil Eng. 13 (2), 71-79 (1999).</li><li>Ramesh, B., Kothyari, U. C., Murugesan, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Near-bed+particle+motion+over+transitionally-rough+bed.">Near-bed particle motion over transitionally-rough bed.</a> J Hydraul Res. 49 (6), 757-765 (2011).</li><li>Amir, M., Nikora, V., Witz, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+experimental+technique+and+its+application+to+study+the+effects+of+particle+density+and+flow+submergence+on+bed+particle+saltation.">A novel experimental technique and its application to study the effects of particle density and flow submergence on bed particle saltation.</a> J Hydraul Res. 55 (1), 101-113 (2017).</li><li>Ettema, R., Garc&#236;a, M. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ice+effects+on+sediment+transport+in+rivers.">Ice effects on sediment transport in rivers.</a> Sedimentation Engineering. , 613-648 (2008).</li><li>Knack, I., Shen, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sediment+transport+in+ice-covered+channels.">Sediment transport in ice-covered channels.</a> Int J Sediment Res. 30 (1), 63-67 (2015).</li><li>Goring, D. G., Nikora, V. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Despiking+acoustic+Doppler+velocimeter+data.">Despiking acoustic Doppler velocimeter data.</a> J Hydraul Eng. 128 (1), 117-126 (2002).</li><li>Nowak, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wall+shear+stress+measurement+in+a+turbulent+pipe+flow+using+ultrasound+Doppler+velocimetry.">Wall shear stress measurement in a turbulent pipe flow using ultrasound Doppler velocimetry.</a> Exp Fluids. 33 (2), 249-255 (2002).</li><li>McCuen, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Microcomputer applications in statistical hydrology. , (1993).</li><li>Lloyd, P. M., Ball, D. J., Stansby, P. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Unsteady+surface-velocity+field+measurement+using+particle+tracking+velocimetry.">Unsteady surface-velocity field measurement using particle tracking velocimetry.</a> J. Hydraul. Res. 33 (4), 519-534 (1995).</li><li>Radice, A., Aleixo, R., Hosseini-Sadabadi, S. A., Sarkar, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+image+grabbing+and+processing+for+measurement+of+geophysical+flows.">On image grabbing and processing for measurement of geophysical flows.</a> Proc. HydroSenSoft 2017, International Symposium and Exhibition on Hydro-Environment Sensors and Software. , (2017).</li><li>Hosseini-Sadabadi, S. A., Radice, A., Ballio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Post-processing+of+particle+tracking+data+for+phenomenological+depiction+of+weak+bed-load+sediment+transport.">Post-processing of particle tracking data for phenomenological depiction of weak bed-load sediment transport.</a> Proc. River Flow 2016. VIII Int. Conf. on Fluvial Hydraulics, St. , 780-786 (2016).</li></ol>

המחברים מצהירים כי אין להם אינטרסים פיננסיים מתחרים.

תכנון ניסוי התחבורה של מטען עם הדמיית חלקיקים כולל מספר שלבים, כולל בחירת תצורה ניסיונית וכלים לחומרה, מדידת זרימה, זריעת חלקיקים והדמיה, וניתוח תמונה. וריאציות בכל שלב יש יתרונות וחסרונות. המאפיינים העיקריים של הפרוטוקול המוצגים בכתב יד זה הם:) i (שימוש בזרימה בלחץ ובמיטה גסה קבועה,) ii (זריעת מספר נמוך של חלקיקי עומס למיטה בעלי צבע מנוגד לצבע המיטה הקבוע,) iii באמצעות אור טבעי ו, (iv) באמצעות מצלמות מרובות כדי לקבל מסלולים עצמאיים לעקוב להיות מחוברים זה לזה. השיטה הניסויית ועיבוד הנתונים מאפשרים את העברת חלקיקי העומס על מנת לאמוד את המדידה הסופית. הזרימה המכוסה מבטיחה ראייה אופטימלית של החלקיקים הנעים. המיטה קבועה עם זאת, מונע תצפית של כמה תהליכים ( למשל , אלה מקושרים עם vertica<html> • התפשטות של חלקיקי משקע בתוך שכבת העומס הפעילה), ובכך מגבילה את תחולת הטכניקה על עומסי מיטה חלשים. הגודל של דגימות הנתונים שהתקבלו באמצעות רק 100 של הסרט היה קטן יחסית. עם זאת, גודל המדגם יכול בקלות להיות מוגברת על ידי הארכת משך ניסיוני של רכישת התמונה ועיבוד. האכלה מספר מצומצם של חלקיקים דורשת זמן ניסיוני ארוך יותר מאשר האכלה בשיעור גבוה משמעותית; אבל זה שווה את המאמץ בגלל מעקב חלקיקים פשוט יחסית בשל ריכוז קטן של חלקיקים בתנועה ואת השימוש בצבעים שונים, שניהם להפחית את ההסתברות של מעקב אחר טעויות. השימוש באור טבעי בניסוי ימנע את הצורך בהתקני תאורה; עם זאת, החיסרון הוא כי תאורה טובה תלויה בתנאי מזג האוויר. CFDs של אורך הופכה החלקיקים ומשך מתוארG&gt; &quot;איור 4 מציג את הערכים הנמוכים ביותר כמו אלה השכיחים ביותר.הערכים הנמדדים הגדולים ביותר של אורך הופ ומשך היו סביב 600 מ&quot;מ ו 7, בהתאמה, זה היה גדול משמעותית לעומת ערכים מקבילים של הספרות 4 , 16 , 30 , שכן מדידת מסלולים ארוכים יותר עלולה להסתכן בקפיצות חלקיקים ארוכות.היתרון של שימוש בשתי מצלמות ניכר בהתחשב בכך שלמצלמה אחת היה אורך מוקד של כ -850 מ&quot;מ, שלא יהיה גדול בהרבה מערכי אורך הופ שימדדו. פרוטוקול המדידה באמצעות שתי מצלמות במקום, הבטיח הפרדה מספקת בין קשקשי אורך של התהליך לבין אלה של שדה מדידה, ובכך להפחית את הסיכון של biasing התוצאות הפנומנולוגיות בשל מגבלות ניסיוני.כמו כן, ניתן להתמקד גם באזור המיקוד על ידי הגדלת מספר המצלמות להציב לאורך העשן. הליך חלופי לעומת פרוטוקול המתואר כאן היא ליצור תמונות חופפות לפני זיהוי החלקיקים ומעקב. הפרוטוקול שלנו (של ביצוע מעקב פעמיים וקישור מסלולים החלקיקים) היה המועדף כמו מיזוג התמונה שיטה היה להכפיל את הגודל של קבצי הנתונים, הדורש צריכת זיכרון זה לא היה זול. עם אלגוריתמים לעיבוד המתוארים כאן, כמה מסלולים החלקיקים שהיו קצרים מאורך השטח החופף נמחקו כי הם מנעו שחזור מלא של מסלולי משקעים. עם זאת, אורך הסף של 120 מ&quot;מ היה בסדר גודל אחד קצר יותר מאשר אורך המסלול שניתן להשיג, ועל אובדן נתונים אלה היה מקובל לכן. יתר על כן, המסלול שהצטרף לראות את 8 המקרים התחתונים של איור 1 לא יאפשר להגדיל משמעותית אורך המסלול להתקבל. מצד שני, מצבים אלה עשויים לעזורב אחזור של מסלולים ארוכים, כגון המצב בתרשים 5 כי יכול להיות עקב הפרעות המסלול. במקרה דומה, ניתן לשחזר מסלול ארוך על ידי פעולות הצטרפות חוזרות. עם זאת חשוב לזכור כי הפרעות המסלול כמו אלה בתרשים 5 קשורות בבירור לתהליך המעקב ולא לתהליך ההצטרפות. כתב היד הזה הציג תוצאות הוכחה של מושג עבור ניסוי אחד, כדי להדגים את היכולות של הפרוטוקול שאומץ. בניסויים עתידיים, הפרוטוקול יחול על סדרה של תנאים הידרו דינמיים שונים כדי להשיג ניתוח מפורט של העומס המיטה תהליך הובלה. <img alt="איור 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig5.jpg" /> איור 5: מצב של מסלול הצטרפות לנוכחות של הפרעות. </חזקה&gt; ההצטרפות של מסלולים אלה למסלול אחד אינה אפשרית עם הפרוטוקול המתואר כאן. כפי שצוין ב איור של איור 1 ו בשלב 8.4 של הפרוטוקול, מסלולים קצרים מאורך של האזור החופף אינם נכללים. זה מבטל את המסלולים האדומים וירוקים קצר; לכן, לא ניתן לחבר את שאריתן הארוכות, כי אין להן נקודה משותפת. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55874/55874fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.</a>

מאז עבודות חלוציות הופיע לפני כמה עשורים 1 , 2 , השימוש של ניתוח תמונה לחקר תחבורה משקע הנהר גדל בהתמדה. טכניקה זו אכן הוכיחה את יכולתו לספק נתונים ברזולוציה גבוהה יחסית בעלות נמוכה עבור ניתוחים מפורטים של תופעות פיזיות 3 , 4 , 5 . עם הזמן, שיפורים משמעותיים הושגו עבור חומרה הן כלי תוכנה. המדידה של הובלה משקעים יכולה להתבצע באמצעות גישה Eulerian שמכוונת מדידה של שטפי משקע, או אחד Lagrangian אחד שמטרתו למדוד מסלולים של דגנים בודדים כשהם נעים. עיבוד תמונה מציעה אפשרויות ייחודיות עבור מעקב החלקיקים בהשוואה לשיטות Eulerian אחרים 6 , 7 . עם זאת, desPite את הפוטנציאלים האלה, היישום של ניתוח תמונה למשקעים העומסים על עומס המיטה סובל ממגבלות ניסיוניות קריטיות, במונחים של סולמות תמיכה מרחבית / טמפורלית למדידה וגודל של דגימות נתונים. לדוגמה, קשה להשיג בו זמנית שילוב נכון של מרחב מרחבי גדול, משך זמן ארוך של ניסוי ותדר מדידה גבוה 3 , 4 , 8 , מבלי לפגוע באיכות ובכמות הנתונים. בנוסף, מעקב החלקיקים יכול להתבצע באופן ידני 2 , 4 , אשר דורש מאמץ אנושי גדול, או באופן אוטומטי 3 , 8 , עם אפשרות של שגיאות מעקב שנעשו על ידי התוכנה המשמשת לניתוח. מאמר זה מציג פרוטוקול לחקירה הניסויית של משקע למיטה trAnsport, שם משך זמן ארוך הושג על ידי סוג של מצלמה בשימוש, שדה גדול של נוף היה מובטחת על ידי שימוש בו זמנית של שתי מצלמות במקומות שונים, ועיבוד אוטומטי אמין התאפשרה על ידי תנאי ניסוי אד הוק . פעולת הניסוי תוכננה וכלי העיבוד נבחרו על בסיס הניסיון שנרכש על ידי המחברים במספר עבודות מחקר העוסקות בחקירה מפורטת של הובלה משקעים בשיטות תמונה 3 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 . ניסוי תחבורה משקע מתואר, כי בוצע שחרור חלקיקEs מעל מיטה גסה קבועה. האכלה החלקיקים היה הרבה פחות קיבולת התחבורה של הזרם כדי לשמור על ריכוז נמוך של גרגרים נעים, ובכך למנוע את הצפיפות של חלקיקים להיות במעקב. יתר על כן, חלקיקים מועברים לא זז ברציפות, אבל תנועה לסירוגין נצפתה. השימוש במיטה קבועה ולא במיטלטל מייצג אובדן דמיון לתנאי הטבע. עם זאת, מיטה קבועה שימשה לעתים קרובות בניסויים הובלה משקעים 19 , 20 , 21 תחת ההנחה כי התוצאות פשוטות יותר להסביר מאשר אלה מתרחישים מורכבים עם מגוון של תהליכי משחק. השימוש במיטה קבועה כמובן מונע תהליכים של קבורה משקעים reappence מלהיות שנצפו. מאידך, בנוכחות עומס מיטה חלש, הובלת המשקעים מתרחשת בשכבה שטחית של מיטה רופפת, ובמקרה זה,השימוש במיטה קבועה עשוי להיות הולם. למעשה, השוואות ספציפיות בין המאפיינים של תנועת החלקיקים בניסויים לרוץ עם שני התנאים לא הציגו הבדלים משמעותיים 3 , 14 . לבסוף, הניסוי המוצג כאן בוצע עם זרימה בלחץ כדי להבטיח מצב אופטימלי להדמיה החלקיקים דרך כיסוי שקוף. הסדימנט התחבורה עם זרימה בלחץ נבדק באופן ניסיוני במחקר אב טיפוס קרח מכוסה נהרות, מראה כי האינטראקציה בין שכבת הגבול ליד המיטה ואת המשקע מקביל לזה של ערוץ פתוח 22 , 23 . בסעיפים הבאים, כל השיטות מתוארות ותוצאות נציג מסוימות מסופקות.

<table><tbody><tr><td>Laser distance sensor</td><td>METRICA</td><td>PREXISOX2</td><td>Used to measure the flume slope</td></tr><tr><td>Two-component polyester resin</td><td>Gelson</td><td>MS 65213</td><td>Used to glue sediment particles onto steel plates</td></tr><tr><td>Water-resistant spray paint</td><td>Any</td><td></td><td>Used to paint the fixed bed</td></tr><tr><td>Ultrasonic Velocity Profiler</td><td>Signal Processing</td><td>DOP 2000</td><td>Used to measure the water velocity profiles</td></tr><tr><td>Camera</td><td>Go-Pro</td><td>Hero 4 Black</td><td>Used to acquire movies of bed-load particle motion</td></tr><tr><td>Streams</td><td>University of Canterbury</td><td>2.01</td><td>Used for particle identification and tracking</td></tr><tr><td>MatLab</td><td>MathWorks</td><td>R14</td><td>Used to develop ad hoc codes for a variety of operations</td></tr><tr><td>Plexiglas</td><td></td><td></td><td>Transparent acrylic material</td></tr></tbody></table>

image-based lagrangian particle tracking in bed-load experiments

ניתוח תמונה שימש יותר ויותר למדידת זרימת הנהרות בשל היכולות שלה כדי לספק תיאורים כמותיים מפורטים במחיר נמוך יחסית. כתב יד זה מתאר יישום של velocimetry מעקב החלקיקים (PTV) לניסוי לטעון את המיטה עם משקעים קלים. המאפיינים העיקריים של תנאי הובלה משקעים שנחקרו היו נוכחות של זרימה מכוסה של מיטה מחוספסת קבועה שממנה חלקיקים שוחררו במספר מצומצם על פתחי הכניסה. תחת תנאי זרימה מיושמת, התנועה של חלקיקים בודדים עומס המיטה היה לסירוגין, עם לסירוגין תנועה ודממה תנאי. דפוס הזרימה היה מאופיין מראש על ידי מדידות אקוסטיות של פרופילים אנכיים של מהירות הזרם. במהלך ההדמיה התהליך, שדה ראייה גדול הושג באמצעות שתי מצלמות פעולה להציב במקומות שונים לאורך העשן. פרוטוקול הניסוי מתואר במונחים של צ&#39;אןכיול nel, מימוש הניסוי, עיבוד תמונה מראש, מעקב אחר החלקיקים אוטומטי, שלאחר עיבוד של נתונים מסלול החלקיקים של שתי המצלמות. התוצאות המוצגות של הוכחת המושג כוללות הסתברות הסתברות של אורך הופכת החלקיקים ומשך הזמן. ההישגים של עבודה זו מושווים לאלה של הספרות הקיימת כדי להוכיח את תקפות הפרוטוקול.

התוצאות המוצגות בסעיף זה הן עבור ניסוי שבו המדרון העגום נקבע לאפס (ערכי המדרון חושבו בדייקנות של 0.05%). המשקע בשימוש נעשתה של חלקיקים PBT שהיו מעין-כדורית, עם מ&quot;מ גודל d = 3 וכן עמ &#39;צפיפות ρ = 1270 ק&quot;ג / מ&#39; 3. הניסוי היה מופעל עם קצב זרימה Q = 9.7 × 10 -3 m 3 / s וכתוצאה מכך מהירות בתפזורת U = 0.31 m / s. עבור מדידות המהירות עם UVP, בדיקה 2 מגהרץ שימש ב 81 ° היצר. מהירות הנתונים נרכשו ב 20 הרץ עבור 250 s. באיור 2 מופיע פרופיל המהירות המייצגת. היא צולמה בציר הערוץ ובגובה 4.5 מ &#39;מפרץ האפונים, שם התפתח הזרימה במלואה. ערכים מסוימים הקשורים למדידות גובה לא חוקיות הוסרו. אסימטריהC פרופיל נבעה מחספוס שונים של מכסה פלסטיק ומיטה משקע. המגרשים גם להראות את החלק של הפרופיל המשמש להערכת מהירות הגזירה, קבלת u S = 25.9 ± 1.3 מ&quot;מ / s. מספר ריינולדס החלקיקים (Re p = u ים × ד / ν, עם ν כמו צמיגות קינמטיקה של מים) היה אפוא שווה 78, המציין משטר transitionally מחוספס. הדמיה של הובלה משקעים בוצעה עם שתי מצלמות להציב ב 3.5 מ &#39;ו 4.3 מ&#39; מפרץ הכניסה. המצלמות פעלו בתדירות של 30 fps ועם רזולוציה של 1,920 x 1,080 פיקסלים. הגורם לתיקון עיוות התמונה היה k = 0.6. לאחר הסרת עיוות, כיול התמונה היה 1 פיקסל = 0.5 מ&quot;מ. אורך החפיפה היה בין 760.15 ל 880.11 מ&quot;מ (כאשר האחרון היה אורך של אזור המיקוד של אשוחSt מן הקצה במעלה שלה). עוצמת הסף לזיהוי חלקיקים הוגדרה ל -80, וגודל הכתם הצפוי נע בין 0.5 ל -8 מ&quot;מ. חלון החיפוש עבור מעקב החלקיקים היה כדלקמן: 1 מ&quot;מ במעלה הזרם 7 מ&quot;מ, 4 מ&quot;מ רוחבית. חלון החיפוש עבור חיבור מחדש של מסלולים שנקטעו היה כדלקמן: 1 מ&quot;מ במעלה הזרם 31 מ&quot;מ במורד, 16 מ&quot;מ רוחבית לאורך 4 המסגרות הבאות. ערך הסף של השורש הריבועי של ההפרש הריבועי הממוצע של ערכי x ו- y בין שני מסלולים שיצטרפו נקבע ל -10 מ&quot;מ. רצועות החלקיקים נמדדים באמצעות תת קבוצה של 3,000 תמונות מכל מצלמה (המקביל ל -100 S משך) מתוארים באיור 3 . מסד הנתונים הבין 37 ו 34 מסלולים מן במעלה במורד הזרם המצלמה, בהתאמה. חפיפה של המסלולים המתקבלים על ידי שתי המצלמות מוצע הראשון ולאחר מכן את הסט מלא של tמדפים מוצגים. נראה כי החפיפה בחלק המרכזי של אזור המדידה הייתה משביעת רצון. 12 קישורים התקבלו בסוף 59 מסלולים. המסלול הארוך ביותר כלל את כל חלון התצפית באורך כולל של כ -1.6 מ &#39;(יותר מ -530 מידות חלקיקים, 15.2 עומק זרימה או רוחב של 5.3), שהוא גדול מאוד בהשוואה למחקרי ספרות אחרים שבהם בוצעו ניתוחים דומים 3 , 4 , 5 , 8 . על ידי לקיחת מסגרת Lagrangian, האינדיקטורים העיקריים של קינמטיקה החלקיקים מוחלים כאן במונחים של תכונות של חלקיקים כשות. תחת התחבורה לסירוגין במיטה כמו אחד בניסוי זה, אלה כשות הם תנועות מופרדים על ידי תקופות מנוחה. כדי לזהות כשות בתוך מסלול מלא עבור חלקיק אחד, זיהוי תנועת החלקיקים והדממה הואצעד ראשוני הכרחי. בעבודה זו, אנו מיישמים קריטריון 30 אשר רואה חלקיק בתנועה ברגע מסוים, אם x המיקום שלה באותו רגע הוא גדול יותר מאשר כל אלה הקודם נמוך מכל אלה. מספר כולל של 98 כשות הושג מתוך 59 מסלולים חלקיקים נמדדים. איור 4 מתאר את התפלגות זרם התדרים המצטברת (CFD) למשך האורך והמשך. <img alt="איור 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig2.jpg" /> איור 2: פרופיל מהירות מדידה. (למעלה) פרופיל אנכי ממוצעים בזמן של רכיב מהירות הזרם. (תחתון) אמידת מהירות הגזירה על ידי התאמת משוואה לוגריתמית לחלק התחתון של הפרופיל. שים לב כי ציר אנכי החל העליון של הערוץ מכוונת כלפי מטה משמש העלילה הראשונה, represe<html> Nting התוצאה מן המדידה עם UVP. ציר מקרקעית הערוץ ומכוון כלפי מעלה משמש במקום זאת במגרש השני, לפי הצורך, כדי לאמוד את מהירות הגזירה על ידי התאמת המשוואה. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55874/55874fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig3.jpg" /> איור 3: תצוגת תוכנית של מסלולי חלקיקים נמדדים. (למעלה) המסילה של שתי המצלמות (מצלמה במעלה הזרם באדום ומורד במורד השחור). (תחתון) המדגם של רצועות הצטרפו (שינוי צבע לבהירות וכמה מסלולים מודגשת על ידי קו עבה). <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55874/55874fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> 4 &quot;class =&quot; xfigimg &quot;src =&quot; / files / ftp_upload / 55874 / 55874fig4.jpg &quot;/&gt; איור 4: התפלגות התדר המצטברת (CFD) של אורך הופ (למעלה) ומשך (למטה). בתוך כל מסלול של איור 3 , החלקיק היה מתויג בכל רגע כדי לייצג אם החלקיק היה בתנועה או במנוחה באותו רגע. חלקיקים של חלקיקים הוצאו אז מן המסלולים כמו חלקים בין entryment החלקיקים (המעבר מדממה לתנועה) ואת חוסר איזון (המעבר מתנועה לדממה). הדגימות שהתקבלו עבור אורך הופ ומשכים שימשו כדי ליצור את ההפצות המתוארות כאן. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55874/55874fig4large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> קוד משלים קבצים: join_cameras.m <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55874/join_cameras.m">בבקשה</a>לחץ כאן להורדת קובץ זה.

Watch this Scientific Journal Video about Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments at JoVE.com

Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments

כתב היד מציג פרוטוקול להולכת ניסויי הובלה של משקעים למיטה, שבהם החלקיקים הנעים עוקבים אחר ניתוח תמונה. מתקן הניסוי, ההליכים להפעלת מימוש ועיבוד נתונים, ולבסוף כמה תוצאות הוכחה של מושג מוצגים כאן.

תמונה מבוססי Lagrangian החלקיקים מעקב בניסויי מיטה לטעון

Image analysis has been increasingly used for the measurement of river flows due to its capabilities to furnish detailed quantitative depictions at a ...

image-based-lagrangian-particle-tracking-in-bed-load-experiments

Universidad San Sebastian

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Civil Engineering

Environment

Unit 1

Leveling

SCIENTISTS IN ACTION

8.9K Views.  Politecnico di Milano.  כתב היד מציג פרוטוקול להולכת ניסויי הובלה של משקעים למיטה, שבהם החלקיקים הנעים עוקבים אחר ניתוח תמונה. מתקן הניסוי, ההליכים להפעלת מימוש ועיבוד נתונים, ולבסוף כמה תוצאות הוכחה של מושג מוצגים כאן. 

Video: Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments

Confocal Imaging of Confined Quiescent and Flowing Colloid-polymer Mixtures

The behavior of confined colloidal suspensions with attractive interparticle interactions is critical to the rational design of materials for directed assembly1-3, drug delivery4, improved hydrocarbon recovery5-7, and flowable electrodes for energy storage8. Suspensions containing fluorescent colloids and non-adsorbing polymers are appealing model systems, as the ratio of the polymer radius of gyration to the particle radius&#160;and concentration of polymer control the range and strength of the interparticle attraction, respectively. By tuning the polymer properties and the volume fraction of the colloids, colloid fluids, fluids of clusters, gels, crystals, and glasses can be obtained9.&#160;Confocal microscopy, a variant of fluorescence microscopy, allows an optically transparent and fluorescent sample to be imaged with high spatial and temporal resolution in three dimensions. In this technique, a small pinhole or slit blocks the emitted fluorescent light from regions of the sample that are outside the focal volume of the microscope optical system. As a result, only a thin section of the sample in the focal plane is imaged. This technique is particularly well suited to probe the structure and dynamics in dense colloidal suspensions at the single-particle scale: the particles are large enough to be resolved using visible light and diffuse slowly enough to be captured at typical scan speeds of commercial confocal systems10. Improvements in scan speeds and analysis algorithms have also enabled quantitative confocal imaging of flowing suspensions11-16,37.&#160;In this paper, we demonstrate confocal microscopy experiments to probe the confined phase behavior and flow properties of colloid-polymer mixtures. We first prepare colloid-polymer mixtures that are density- and refractive-index matched. Next, we report a standard protocol for imaging quiescent dense colloid-polymer mixtures under varying confinement in thin wedge-shaped cells. Finally, we demonstrate a protocol for imaging colloid-polymer mixtures during microchannel flow.

Confocal microscopy is used to image quiescent and flowing colloid-polymer mixtures, which are studied as model systems for attractive suspensions. Image analysis algorithms are used to calculate structural and dynamic metrics for the colloidal particles that measure changes due to geometric confinement.

ההדמיה confocal של רגיעה מרותקת ותערובות קולואיד פולימר מזרימים

The behavior of confined colloidal suspensions with attractive interparticle interactions is critical to the rational design of materials for directed ...

Chemistry

Visualizing Hyporheic Flow Through Bedforms Using Dye Experiments and Simulation

Advective exchange between the pore space of sediments and the overlying water column, called hyporheic exchange in fluvial environments, drives solute transport in rivers and many important biogeochemical processes. To improve understanding of these processes through visual demonstration, we created a hyporheic flow simulation in the multi-agent computer modeling platform NetLogo. The simulation shows virtual tracer flowing through a streambed covered with two-dimensional bedforms. Sediment, flow, and bedform characteristics are used as input variables for the model. We illustrate how these simulations match experimental observations from laboratory flume experiments based on measured input parameters. Dye is injected into the flume sediments to visualize the porewater flow. For comparison virtual tracer particles are placed at the same locations in the simulation. This coupled simulation and lab experiment has been used successfully in undergraduate and graduate laboratories to directly visualize river-porewater interactions and show how physically-based flow simulations can reproduce environmental phenomena. Students took photographs of the bed through the transparent flume walls and compared them to shapes of the dye at the same times in the simulation. This resulted in very similar trends, which allowed the students to better understand both the flow patterns and the mathematical model. The simulations also allow the user to quickly visualize the impact of each input parameter by running multiple simulations. This process can also be used in research applications to illustrate basic processes, relate interfacial fluxes and porewater transport, and support quantitative process-based modeling.

This manuscript describes how to create regular bedforms in a flume, visualize flow through the bedforms, and use computer simulations to simulate the hyporheic flow. The computer simulations compare well with the experimental observations. This coupled simulation and experiment is well-suited for both research and educational purposes.

חזותי Hyporheic לזרום דרך Bedforms שימוש ניסויי דיי וסימולציה

Advective exchange between the pore space of sediments and the overlying water column, called hyporheic exchange in fluvial environments, drives solute ...

Engineering

Three-dimensional Particle Tracking Velocimetry for Turbulence Applications: Case of a Jet Flow

3D-PTV is a quantitative flow measurement technique that aims to track the Lagrangian paths of a set of particles in three dimensions using stereoscopic recording of image sequences. The basic components, features, constraints and optimization tips of a 3D-PTV topology consisting of a high-speed camera with a four-view splitter are described and discussed in this article. The technique is applied to the intermediate flow field (5 &#60;x/d &#60;25) of a circular jet at Re &#8776; 7,000. Lagrangian flow features and turbulence quantities in an Eulerian frame are estimated around ten diameters downstream of the jet origin and at various radial distances from the jet core. Lagrangian properties include trajectory, velocity and acceleration of selected particles as well as curvature of the flow path, which are obtained from the Frenet-Serret equation. Estimation of the 3D velocity and turbulence fields around the jet core axis at a cross-plane located at ten diameters downstream of the jet is compared with literature, and the power spectrum of the large-scale streamwise velocity motions is obtained at various radial distances from the jet core.

A three-dimensional particle tracking velocimetry (3D-PTV) system based on a high-speed camera with a four-view splitter is described here. The technique is applied to a jet flow from a circular pipe in the vicinity of ten diameters downstream at Reynolds number Re &#8776; 7,000.

תלת ממד חלקיקי מעקב velocimetry עבור יישומי Turbulence: מקרה של Jet Flow

3D-PTV is a quantitative flow measurement technique that aims to track the Lagrangian paths of a set of particles in three dimensions using stereoscopic ...

Visually Based Characterization of the Incipient Particle Motion in Regular Substrates: From Laminar to Turbulent Conditions

Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to turbulent flow conditions are presented. For that purpose, the incipient motion of a single bead is studied on regular substrates that consist of a monolayer of fixed spheres of uniform size that are regularly arranged in triangular and quadratic symmetries. The threshold is characterized by the critical Shields number. The criterion for the onset of motion is defined as the displacement from the original equilibrium position to the neighboring one. The displacement and the mode of motion are identified with an imaging system. The laminar flow is induced using a rotational rheometer with a parallel disk configuration. The shear Reynolds number remains below 1. The turbulent flow is induced in a low-speed wind tunnel with open jet test section. The air velocity is regulated with a frequency converter on the blower fan. The velocity profile is measured with a hot wire probe connected to a hot film anemometer. The shear Reynolds number ranges between 40 and 150. The logarithmic velocity law and the modified wall law presented by Rotta are used to infer the shear velocity from the experimental data. The latter is of special interest when the mobile bead is partially exposed to the turbulent flow in the so-called hydraulically transitional flow regime. The shear stress is estimated at onset of motion. Some illustrative results showing the strong impact of the angle of repose, and the exposure of the bead to shear flow are represented in both regimes.

Two different methods for characterizing the incipient particle motion of a single bead as a function of the sediment bed geometry from laminar to turbulent flow are presented.

באופן חזותי המבוסס על אפיון חלקיק התחלתית של סובסטרטים רגיל: מלמינריות לתנאים הסוערת

Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to ...

Methods for Characterizing the Co-development of Biofilm and Habitat Heterogeneity

Biofilms are surface-attached microbial communities that have complex structures and produce significant spatial heterogeneities. Biofilm development is strongly regulated by the surrounding flow and nutritional environment. Biofilm growth also increases the heterogeneity of the local microenvironment by generating complex flow fields and solute transport patterns. To investigate the development of heterogeneity in biofilms and interactions between biofilms and their local micro-habitat, we grew mono-species biofilms of Pseudomonas aeruginosa and dual-species biofilms of P. aeruginosa and Escherichia coli under nutritional gradients in a microfluidic flow cell. We provide detailed protocols for creating nutrient gradients within the flow cell and for growing and visualizing biofilm development under these conditions. We also present protocols for a series of optical methods to quantify spatial patterns in biofilm structure, flow distributions over biofilms, and mass transport around and within biofilm colonies. These methods support comprehensive investigations of the co-development of biofilm and habitat heterogeneity.

Biofilms have complex interactions with their surrounding environment. To comprehensively investigate biofilm-environment interactions, we present here a series of methods to create heterogeneous chemical environment for biofilm development, to quantify local flow velocity, and to analyze mass transport in and around biofilm colonies.

שיטות לאפיון Co-הפיתוח של Biofilm ובית גידול הטרוגניות

Biofilms are surface-attached microbial communities that have complex structures and produce significant spatial heterogeneities. Biofilm development is ...

Bioengineering

Generation and Control of Electrohydrodynamic Flows in Aqueous Electrolyte Solutions

To drive electrohydrodynamic (EHD) flows in aqueous solutions, the separation of cation and anion transport pathways is essential because a directed electric body force has to be induced by ionic motions in liquid. On the other hand, positive and negative charges attract each other, and electroneutrality is maintained everywhere in equilibrium conditions. Furthermore, an increase in an applied voltage has to be suppressed to avoid water electrolysis, which causes the solutions to become unstable. Usually, EHD flows can be induced in non-aqueous solutions by applying extremely high voltages, such as tens of kV, to inject electrical charges. In this study, two methods are introduced to generate EHD flows induced by electrical charge separations in aqueous solutions, where two liquid phases are separated by an ion-exchange membrane. Due to a difference in the ionic mobility in the membrane, ion concentration polarization is induced between both sides of the membrane. In this study, we demonstrate two methods. (i) The relaxation of ion concentration gradients occurs via a flow channel that penetrates an ion-exchange membrane, where the transport of the slower species in the membrane selectively becomes dominant in the flow channel. This is a driving force to generate an EHD flow in the liquid. (ii) A long waiting time for the diffusion of ions passing through the ion-exchange membrane enables the generation of an ion-dragged flow by externally applying an electric field. Ions concentrated in a flow channel of a 1 x 1 mm2 cross-section determine the direction of the liquid flow, corresponding to the electrophoretic transport pathways. In both methods, the electric voltage difference required for an EHD flow generation is drastically reduced to near 2 V by rectifying the ion transport pathways.

The rectification of ion transport pathways is an effective method to generate one-directional ion-dragged electrohydrodynamic flows. By setting an ion-exchange membrane in a flow channel, an electrically polarized condition is generated and causes a liquid flow to be driven when an electric field is externally applied.

דור ובקרה של Electrohydrodynamic זורם בפתרונות אלקטרוליט מימית

To drive electrohydrodynamic (EHD) flows in aqueous solutions, the separation of cation and anion transport pathways is essential because a directed ...

Simultaneous Measurement of Turbulence and Particle Kinematics Using Flow Imaging Techniques

Numerous problems in scientific and engineering fields involve understanding the kinematics of particles in turbulent flows, such as contaminants, marine micro-organisms, and/or sediments in the ocean, or fluidized bed reactors and combustion processes in engineered systems. In order to study the effect of turbulence on the kinematics of particles in such flows, simultaneous measurements of both the flow and particle kinematics are required. Non-intrusive, optical flow measurement techniques for measuring turbulence, or for tracking particles, exist but measuring both simultaneously can be challenging due to interference between the techniques. The method presented herein provides a low cost and relatively simple method to make simultaneous measurements of the flow and particle kinematics. A cross section of the flow is measured using a particle image velocimetry (PIV) technique, which provides two components of velocity in the measurement plane. This technique utilizes a pulsed-laser for illumination of the seeded flow field that is imaged by a digital camera. The particle kinematics are simultaneously imaged using a light emitting diode (LED) line light that illuminates a planar cross section of the flow that overlaps with the PIV field-of-view (FOV). The line light is of low enough power that it does not affect the PIV measurements, but powerful enough to illuminate the larger particles of interest imaged using the high-speed camera. High-speed images that contain the laser pulses from the PIV technique are easily filtered by examining the summed intensity level of each high-speed image. By making the frame rate of the high-speed camera incommensurate with that of the PIV camera frame rate, the number of contaminated frames in the high-speed time series can be minimized. The technique is suitable for mean flows that are predominantly two-dimensional, contain particles that are at least 5 times the mean diameter of the PIV seeding tracers, and are low in concentration.

The technique described herein offers a low cost and relatively simple method to simultaneously measure particle kinematics and turbulence in flows with low particle concentrations. The turbulence is measured using particle image velocimetry (PIV), and particle kinematics are calculated from images obtained with a high-speed camera in an overlapping field-of-view.

מדידה סימולטני של מערבולת, קינמטיקה של חלקיקים באמצעות זרימת טכניקות הדמיה

Numerous problems in scientific and engineering fields involve understanding the kinematics of particles in turbulent flows, such as contaminants, marine ...

In Situ Mapping of the Mechanical Properties of Biofilms by Particle-tracking Microrheology

Bacterial cells are able to form surface-attached biofilm communities known as biofilms by encasing themselves in extracellular polymeric substances (EPS). The EPS serves as a physical and protective scaffold that houses the bacterial cells and consists of a variety of materials that includes proteins, exopolysaccharides and DNA. The composition of the EPS may change, which remodels the mechanic properties of the biofilm to further develop or support alternative biofilm structures, such as streamers, as a response to environmental cues. Despite this, there are little quantitative descriptions on how EPS components contribute to the mechanical properties and function of biofilms. Rheology, the study of the flow of matter, is of particular relevance to biofilms as many biofilms grow in flow conditions and are constantly exposed to shear stress. It also provides measurement and insight on the spreading of the biofilm on a surface. Here, particle-tracking microrheology is used to examine the viscoelasticity and effective crosslinking roles of different matrix components in various parts of the biofilm during development. This approach allows researchers to measure mechanic properties of biofilms at the micro-scale, which might provide useful information for controlling and engineering biofilms.

In Situ Mapping of the Mechanical Properties of Biofilms by Particle-tracking Microrheology

Particle-tracking microrheology investigates the viscoelasticity of materials. Here, the technique is used to determine the viscoelasticity, creep compliance and effective crosslinking roles of different matrix components of a bacterial biofilm. The matrix consists of polymeric substances secreted by the bacteria and its components determine biofilm structure and mechanical properties.

במיפוי באתרו של התכונות מכניות של Biofilms ידי Microrheology מעקב חלקיקים

Bacterial cells are able to form surface-attached biofilm communities known as biofilms by encasing themselves in extracellular polymeric substances ...

Controlling Flow Speeds of Microtubule-Based 3D Active Fluids Using Temperature

We present a method for using temperature to tune the flow speeds of kinesin-driven, microtubule-based three-dimensional (3D) active fluids. This method allows for tuning the speeds in situ without the need to manufacture new samples to reach different desired speeds. Moreover, this method enables the dynamic control of speed. Cycling the temperature leads the fluids to flow fast and slow, periodically. This controllability is based on the Arrhenius characteristic of the kinesin-microtubule reaction, demonstrating a controlled mean flow speed range of 4&#8211;8 &#181;m/s. The presented method will open the door to the design of microfluidic devices where the flow rates in the channel are locally tunable without the need for a valve.

The goal of this protocol is to use temperature to control the flow speeds of three-dimensional active fluids. The advantage of this method not only allows for regulating flow speeds in situ but also enables dynamic control, such as periodically tuning flow speeds up and down.

שליטה במהירויות זרימה של נוזלים פעילים תלת-ממדיים מבוססי מיקרוכדורית באמצעות טמפרטורה

We present a method for using temperature to tune the flow speeds of kinesin-driven, microtubule-based three-dimensional (3D) active fluids. This method ...

A Protocol for Real-time 3D Single Particle Tracking

Real-time three-dimensional single particle tracking (RT-3D-SPT) has the potential to shed light on fast, 3D processes in cellular systems. Although various RT-3D-SPT methods have been put forward in recent years, tracking high speed 3D diffusing particles at low photon count rates remains a challenge. Moreover, RT-3D-SPT setups are generally complex and difficult to implement, limiting their widespread application to biological problems. This protocol presents a RT-3D-SPT system named 3D Dynamic Photon Localization Tracking (3D-DyPLoT), which can track particles with high diffusive speed (up to 20 &#181;m2/s) at low photon count rates (down to 10 kHz). 3D-DyPLoT employs a 2D electro-optic deflector (2D-EOD) and a tunable acoustic gradient (TAG) lens to drive a single focused laser spot dynamically in 3D. Combined with an optimized position estimation algorithm, 3D-DyPLoT can lock onto single particles with high tracking speed and high localization precision. Owing to the single excitation and single detection path layout, 3D-DyPLoT is robust and easy to set up. This protocol discusses how to build 3D-DyPLoT step by step. First, the optical layout is described. Next, the system is calibrated and optimized by raster scanning a 190 nm fluorescent bead with the piezoelectric nanopositioner. Finally, to demonstrate real-time 3D tracking ability, 110 nm fluorescent beads are tracked in water.

This protocol details the construction and operation of a real-time 3D single particle tracking microscope capable of tracking nanoscale fluorescent probes at high diffusive speeds and low photon count rates.

פרוטוקול לצורך מעקב בזמן אמת 3D חלקיק יחיד

Real-time three-dimensional single particle tracking (RT-3D-SPT) has the potential to shed light on fast, 3D processes in cellular systems. Although ...