Den første observation af en stabil torus af væskers resonansfrekvenser

Et team af forskere ved Laroche Laboratory, Université Paris Diderot og Université de Lyon har for nylig samlet de første målinger af resonansfrekvenserne for en stabil torus af væske. Metoden de brugte til at indsamle disse observationer, beskrevet i et papir udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , kunne muliggøre modellering af en række store strukturer, der midlertidigt opstår i hvirvelringe.

Vortexringe er torusformede hvirvler, der kan forekomme i både væsker og gasser i en række forskellige indstillinger. I naturen, der er flere eksempler på disse vortex ringe, inklusive undervandsbobleringe produceret af dykkere eller delfiner, røg ringe, og blodringe i det menneskelige hjerte.

"Selvom det er blevet vist, at dynamikken i en hvirvelring domineres af store strukturer i dens periferi, mekanismerne, der styrer deres udseende, er ikke godt forstået, som i vid udstrækning afspejler de eksperimentelle vanskeligheder med at skabe en stabil flydende torus under velkontrollerede forhold, "Eric Falcon, en af ​​de forskere, der udførte den nylige undersøgelse, fortalte Phys.org. "Det er i denne sammenhæng, vi ønskede at gøre en væskering stabil."

Vortex ringe blev først analyseret i dybden af ​​fysiker Hermann von Helmholtz. Siden da, flere forskere har i vid udstrækning studeret deres dannelse, dynamik og kollisioner.

Tidligere undersøgelser har fundet ud af, at det er muligt at generere flygtige vortexringe i laboratoriemiljøer ved at skubbe en væske ud af et hul, ved at slå en fast skive ind i en væske i hvile, eller når en væskedråbe falder ned i en anden væske. Imidlertid, væskeringen, der opstår under disse forsøg, bliver hurtigt ustabil og nedbrydes til individuelle dråber.

"Vortex ringe, som røgringe, er allestedsnærværende i naturen, men deres dynamik er endnu ikke godt forstået, delvis på grund af deres forbigående natur, " sagde Falcon. "I vores undersøgelse, vi var i stand til stabilt at generere en ring (eller torus) af væske ved hjælp af et flydende metal, hvilket gjorde det muligt for os at studere de frekvenser, hvormed torus af væske reagerer."

At danne en stabil flydende torus, der ikke ville forsvinde hurtigt over tid, Falcon og hans kolleger brugte kviksølv, et flydende metal, der ikke våder overflader, det kommer i kontakt med. Forskerne injicerede kviksølv i periferien af ​​en fast cylinder, og dette dannede en stabil ring af væske. Den solide cylinder forhindrede bølger af torus' indre periferi, som ellers ikke ville have nogen indeslutning for at minimere dens overflade.

"Denne nye teknik gjorde det muligt for os at udføre de første målinger af resonansfrekvenserne for en torus af væske, der udsættes for vibrationer:Væskeringen ser svingninger vises på dens ydre periferi, disse lobeformede mønstre forstærkes ved visse såkaldte resonansfrekvenser, "Forklarede Falcon.

Den ydre diameter af den flydende torus, de observerede, var omkring 4 cm, og dens størrelsesforhold var omtrent det dobbelte af en typisk konfekture-doughnut. Den væskering, de skabte, hvilede på en plade, der vibrerer lodret, med en frekvens og amplitude på under 65 Hz og 0,5 mm, henholdsvis. Accelerationen svarende til denne vibration er lavere end halvdelen af ​​accelerationen af ​​Jordens tyngdekraft.

Falcon og hans kolleger brugte en laserbaseret optisk målemetode til nøjagtigt at måle de vandrette svingninger i den ydre periferi af torus. De var også i stand til at opnå en direkte visualisering af hvirvelen ved hjælp af et kamera placeret direkte over væskeringen.

"Ved at bruge denne nøjagtige optiske metode, vi var i stand til at observere op til 25 lapper, der forekommer i periferien af ​​ringen, når vibrationsfrekvensen stiger, og vi var i stand til at karakterisere de tilsvarende ustabilitetszoner, " sagde Falcon.

Da de havde samlet deres observationer, forskerne forsøgte at fortolke dem baseret på eksisterende fysikteorier. Ved at sammenligne deres eksperimentelle resultater, de tilpassede med succes den sædvanlige dråbemodel foreslået af Lord Rayleigh i 1879 til en torus af væske. Deres målinger gav dem også mulighed for indirekte at udlede torusens geometriske egenskaber.

De unikke målinger indsamlet af Falcon og hans kolleger kunne have flere interessante implikationer, både til væskemekanik og andre områder af fysikforskning. For eksempel, deres fremgangsmåde kunne bruges til at modellere store strukturer, der midlertidigt optræder i hvirvelringe, der er undersøgt på forskellige områder, herunder plasma fysik, biofysik eller geofysik.

"I den nærmeste fremtid, vores eksperiment kan let modificeres for at fjerne den faste indre indeslutning (erstattet af et toroidalt potentiale) og til at påføre væsken en rotationsstrøm mellem væskeringens poler ("poloid vorticity"), simpelthen ved at anvende en elektromagnetisk kraft på det flydende metal, " sagde Falcon. "Denne konfiguration skulle så være i stand til mere præcist at afsløre oprindelsen af ​​disse storstilede transiente strukturer i vortexringe observeret i naturen."

© 2019 Science X Network