Пузырьковое кольцо

редактировать

Пузырьковое кольцо

A пузырьковое кольцо, или тороидальный пузырь, является подводным вихревое кольцо, в котором пузырь воздуха занимает ядро вихря, образуя форму кольца. Кольцо воздуха, а также близлежащая вода вращаются полоидально при движении в воде, подобно тому, как гибкий браслет может вращаться, когда его наматывают на руку человека. Чем быстрее вращается пузырьковое кольцо, тем оно стабильнее. Пузырьковые кольца и кольца дыма являются примерами вихревых колец, физика которых все еще активно изучается в гидродинамике. Были изобретены устройства, генерирующие пузырьковые вихревые кольца.

Содержание

1 Физика
- 1.1 Тороидальные пузыри, вызванные плавучестью
- 1.2 Кавитационные пузыри
2 Китообразные
3 Водолазы-люди
4 Другое применение термина
5 См. также
6 Ссылки
7 Дополнительные ссылки
8 Внешние ссылки

Физика

Внешнее видео
Пузырьковое кольцо Искажение времени - в замедленном движении YouTube
Водные кольца сталкиваются YouTube

Когда пузырьковое кольцо поднимается, на пузырь воздействует направленная вниз подъемная сила, создаваемая завихренностью, чтобы противодействовать выталкивающей силе. Это снижает скорость пузыря и увеличивает его диаметр. Кольцо становится тоньше, несмотря на то, что общий объем внутри пузырька увеличивается с уменьшением внешнего давления воды. Кольца пузырьков распадаются на кольца сферических пузырьков, когда кольцо становится тоньше нескольких миллиметров. Это связано с нестабильностью Плато-Рэлея. Когда пузырек достигает определенной толщины, эффекты поверхностного натяжения искажают поверхность пузыря, разрывая его на отдельные пузыри. Циркуляция жидкости вокруг пузыря помогает стабилизировать пузырек на более длительное время, противодействуя эффектам нестабильности Плато-Рэлея. Ниже приведено уравнение неустойчивости Плато-Рэлея с циркуляцией в качестве стабилизирующего члена:

ω 2 = (- ka K 1 (ka) K 0 (ka)) [(1 - k 2 a 2) T pa 3 - Γ 2 4 π 2 a 4] {\ displaystyle \ omega ^ {2} = \ left ({\ frac {-ka \, K_ {1} (ka)} {K_ {0} (ka)}} \ right) \ left [(1-k ^ {2} a ^ {2}) {\ frac {T} {pa ^ {3}}} - {\ frac {\ Gamma ^ {2}} {4 \ pi ^ {2} a ^ {4}}} \ right]}

{\ displaystyle \ omega ^ {2} = \ left ({\ frac {-ka \, K_ {1} (ka)} {K_ {0} (ka)}} \ right) \ left [(1-k ^ {2} a ^ {2}) {\ frac {T} {pa ^ {3}}} - {\ frac {\ Gamma ^ {2}} {4 \ pi ^ {2} a ^ {4}}} \ right]}

где $ω {\ displaystyle \ omega}$ $\ omega$ - скорость роста, $k {\ displaystyle k}$ $k$ - волновое число, $a {\ displaystyle a}$ $a$ - радиус цилиндра пузыря, $T {\ displaystyle T}$ $T$ - поверхностное натяжение, $Γ {\ displaystyle \ Gamma}$ $\ Gamma$ - тираж, а $K n (x) {\ displaystyle K_ {n} (x)}$ $K_n (x)$ - модифицированная функция Бесселя второго вида порядка $n {\ displaystyle n}$ $n$ . Когда $ω {\ displaystyle \ omega}$ $\ omega$ положительно, пузырек устойчив благодаря циркуляции, а когда $ω {\ displaystyle \ omega}$ $\ omega$ отрицателен, поверхностное натяжение эффекты дестабилизируют его и разрушают. Циркуляция также влияет на скорость и радиальное расширение пузыря. Циркуляция увеличивает скорость при одновременном снижении скорости радиального расширения. Однако радиальное расширение - это то, что рассеивает энергию, растягивая вихрь. Нестабильность происходит быстрее в турбулентной воде, но в спокойной воде дайверы могут достичь внешнего диаметра метра или более, прежде чем пузырь расколется.

Тороидальные пузырьки, вызванные плавучестью

Когда пузырь воздуха поднимается, возникает разница в давлении между верхом и низом пузырька. Более высокое давление внизу пузыря подталкивает нижнюю поверхность пузыря вверх быстрее, чем поднимается верхняя поверхность. Это создает струю жидкости, которая движется вверх через центр пузыря. Если струя жидкости имеет достаточно энергии, она пробьет верхнюю часть пузыря и образует пузырьковое кольцо. Из-за движения жидкости, проходящей через центр пузыря, пузырек начинает вращаться. Это вращение перемещает жидкость вокруг пузыря, создавая тороидальный вихрь. Если поверхностное натяжение границы раздела текучей среды или вязкость жидкости слишком высока, струя жидкости будет более широкой и не будет проходить через вершину пузыря. Это приводит к образованию сферического пузыря крышки. Пузырьки воздуха диаметром более двух сантиметров приобретают тороидальную форму из-за разницы давлений.

Кавитационные пузырьки

Кавитационные пузырьки, находясь вблизи твердой поверхности, также могут стать тором. В области, удаленной от поверхности, повышенное статическое давление вызывает образование струи высокого давления. Эта струя направляется к твердой поверхности и прорывается через пузырь, образуя пузырь в форме тора на короткий период времени. Это генерирует множественные ударные волны, которые могут повредить поверхность.

Пузырьковое кольцо образует вихревое кольцо в форме бублика, которое вращается полоидально в направлении стрелок
Пузырьковое кольцо движется в том же направлении, что и его внутренняя сторона вращается
Подводный дайвер надувает пузырьковое кольцо

Китообразные

Китообразные, такие как белухи, дельфины и горбатые киты, надувают пузырьковые кольца. Дельфины иногда участвуют в сложных играх, специально создавая пузырьковые кольца, по-видимому, для развлечения. Существуют два основных метода изготовления пузырьковых колец: быстрое выдувание потока воздуха в воду и обеспечение ее подъема на поверхность, образуя кольцо; или создают тороидальный вихрь своими ламелями и инжектируют пузырь в образовавшиеся таким образом спиральные вихревые токи. Затем дельфин часто исследует свое создание визуально и с помощью сонара. Иногда они играют с пузырями, искажая кольца пузырей, отламывая меньшие кольца пузырей от оригинала или разделяя исходное кольцо на два отдельных кольца с помощью клюва. Им также нравится кусать созданные ими вихревые кольца, так что они лопаются на множество отдельных нормальных пузырей, а затем быстро поднимаются на поверхность. Дельфины также могут образовывать пузырьковые кольца своими сосальщиками, используя резервуар с воздухом на поверхности.

Белухи надувают пузырьковые кольца
Аэрофотоснимок горбатого человека Пузырьковая сеть

Горбатые киты используют другой тип пузырькового кольца при добыче рыбы. Они окружают стаю кормовой рыбы круглой пузырчатой сетью и загоняют их в мяч для приманки.

Человек-ныряльщик

Мальчик дует мыльные пузыри из пузырькового кольца

Некоторые аквалангисты и фридайверы могут создавать пузырьковые кольца, выдувая воздух изо рта определенным образом. Длинные пузырьковые кольца также могут спонтанно образовываться в турбулентной воде, такой как сильный прибой.

Другие варианты использования термина

Термин «пузырьковое кольцо» также используется в других контекстах. Обычная детская игрушка для выдувания мыльных пузырей называется пузырьковое кольцо и заменяет игрушку пузырьковая трубка, которая традиционно использовалась в течение многих лет, поскольку пузырьковая трубка может восприниматься как слишком похожая на курение и поэтому плохой пример для детей. Мыльная пена подвешена на кольце, соединенном стержнем с завинчивающейся крышкой бутылки с мыльной пеной.

См. Также

Ссылки

Дополнительные ссылки

Дас, Д. и Кумар, В. (2005) «Экспериментальное исследование траектории сжимаемых вихревых колец», 11-я конференция AIAA / CEAS по аэроакустике, стр. 2953. doi : 10.2514 / 6.2005-2953.
Хамерофф С.Р., Касняк А.В. и Скотт А. (1998) К науке о сознании II: вторые дискуссии и дебаты в Тусоне Страница 558. MIT Press. ISBN 978-0-262-08262-4.
Лундгрен, Т.С. Мансур, Н.Н. (1991). "Пузыри вихревого кольца". Журнал гидромеханики. 224 : 177–196. Bibcode : 1991JFM... 224..177L. doi : 10,1017 / s0022112091001702.
Marten, K; Шариф, К; Псаракос, S; Белый, ди-джей (1996). «Кольцевые пузыри дельфинов. Некоторые дельфины афалины на Гавайях могут создавать мерцающие, устойчивые кольца и спирали воздуха в процессе игры». Scientific American. 275 (2): 82–87. Bibcode : 1996SciAm.275b..82M. doi : 10.1038 / scientificamerican0896-82. PMID 8693325.
McCowan, B; Марино, Л; Вэнс, E; Walke, L; Рейсс, Д. (2000). «Игра пузырей-колец дельфинов афалин (Tursiops truncatus): значение для познания» (PDF). Журнал сравнительной психологии. 114 (1): 98–106. DOI : 10.1037 / 0735-7036.114.1.98. PMID 10739315. Проверено 23 мая 2010 г.

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы, связанные с Кольца пузырей.