Ett team av forskare vid Laroche Laboratory, Université Paris Diderot och Université de Lyon har nyligen samlat de första mätningarna av resonansfrekvenserna för en stabil torus av vätska. Metoden de använde för att samla in dessa observationer, beskrivs i ett papper publicerat i Fysiska granskningsbrev , kan möjliggöra modellering av en mängd olika storskaliga strukturer som övergående uppstår i virvelringar.

Vortexringar är torusformade virvlar som kan förekomma i både vätskor och gaser i olika inställningar. I naturen, det finns flera exempel på dessa virvelringar, inklusive bubbelringar under vattnet som produceras av dykare eller delfiner, rök ringer, och blodringar i människans hjärta.

"Även om det har visats att dynamiken i en virvelring domineras av storskaliga strukturer vid dess periferi, mekanismerna för deras utseende är inte väl förstådda, som i hög grad återspeglar de experimentella svårigheterna att generera en stabil vätsketorus under välkontrollerade förhållanden, "Eric Falcon, en av forskarna som genomförde den senaste studien, berättade för Phys.org. "Det är i detta sammanhang som vi ville göra en vätskering stabil."

Vortexringar analyserades först på djupet av fysikern Hermann von Helmholtz. Sedan dess, flera forskare har studerat sin bildning i stor utsträckning, dynamik och kollisioner.

Tidigare studier har funnit att det är möjligt att generera flyktiga virvelringar i en laboratoriemiljö genom att trycka ut en vätska ur ett hål, genom att träffa en fast skiva i en vätska i vila, eller när en vätskedroppe faller i en annan vätska. Dock, vätskeringen som uppstår under dessa experiment blir snabbt instabil och bryts ner till enskilda droppar.

"Vortexringar, som rökringar, är allestädes närvarande i naturen, men deras dynamik är ännu inte väl förstådd, delvis på grund av deras övergående natur, "Falcon sa." I vår studie, vi kunde stabilt generera en ring (eller torus) av vätska med hjälp av en flytande metall, vilket gjorde att vi kunde studera de frekvenser vid vilka torus av vätska reagerar. "

För att bilda en stabil vätsketorus som inte skulle försvinna snabbt med tiden, Falcon och hans kollegor använde kvicksilver, en flytande metall som inte fuktar ytor den kommer i kontakt med. Forskarna injicerade kvicksilver vid periferin av en solid cylinder och detta bildade en stabil vätskering. Den fasta cylindern förhindrade vågningar av torusens inre periferi som annars inte skulle ha någon begränsning för att minimera dess yta.

"Denna nya teknik gjorde det möjligt för oss att utföra de första mätningarna av resonansfrekvenserna för en torus av vätska som utsätts för vibrationer:Vätskering ser svängningar uppträda på dess yttre periferi, dessa lobformade mönster förstärks vid vissa så kallade resonansfrekvenser, "Förklarade Falcon.

Den yttre diametern på den flytande torus som de observerade var cirka 4 cm och dess bildförhållande var ungefär dubbelt så stor som en typisk konfektmunk. Vätskering som de skapade vilade på en tallrik som vibrerar vertikalt, med en frekvens och amplitud under 65 Hz och 0,5 mm, respektive. Accelerationen som motsvarar denna vibration är lägre än hälften av accelerationen av jordens gravitation.

Falcon och hans kollegor använde en laserbaserad optisk mätmetod för att exakt mäta de horisontella svängningarna vid den yttre periferin av torus. De kunde också uppnå en direkt visualisering av virveln med hjälp av en kamera placerad direkt ovanför vätskeringen.

"Med denna exakta optiska metod, vi kunde observera upp till 25 lober som förekommer vid periferin av ringen när vibrationsfrekvensen ökar och vi kunde karakterisera motsvarande zoner av instabilitet, Sa Falcon.

När de väl samlat sina observationer, forskarna försökte tolka dem utifrån befintliga fysikteorier. Jämför sina experimentella resultat, de anpassade framgångsrikt den vanliga droppmodellen som Lord Rayleigh föreslog 1879 till en torus av vätska. Deras mätningar gjorde det också möjligt för dem att indirekt utläsa torusens geometriska egenskaper.

De unika mätningarna som samlats in av Falcon och hans kollegor kan ha flera intressanta konsekvenser, både för vätskemekanik och andra områden inom fysikforskning. Till exempel, deras tillvägagångssätt kan användas för att modellera storskaliga strukturer som tillfälligt förekommer i virvelringar som studerats inom olika områden, inklusive plasmafysik, biofysik eller geofysik.

"Inom en snar framtid, vårt experiment är enkelt modifierbart för att ta bort den fasta inre inneslutningen (ersatt av en toroidal potential) och för att påföra vätskan ett rotationsflöde mellan vätskeringens poler ("poloidal vorticitet"), helt enkelt genom att applicera en elektromagnetisk kraft på den flytande metallen, "Falcon sa." Denna konfiguration bör då kunna avslöja mer exakt ursprunget för dessa storskaliga övergående strukturer i virvelringar observerade i naturen. "

© 2019 Science X Network