Пузырьковое кольцо - Bubble ring

Внешнее видео
	Пузырьковое кольцо Деформация времени - Замедленная съемка YouTube
	Водные кольца сталкиваются YouTube

Пузырьковое кольцо

А пузырьковое кольцо, или же тороидальный пузырь, это подводный вихревое кольцо где воздушный пузырь занимает ядро вихря, образуя форму кольца. Кольцо воздуха, а также близлежащая вода вращаются полоидально когда он движется по воде, он очень похож на гибкий браслет, когда его наматывают на руку человека. Чем быстрее вращается пузырьковое кольцо, тем оно стабильнее.^[1] Пузырьковые кольца и кольца дыма оба примера вихревые кольца - физика которой до сих пор активно изучается в динамика жидкостей.^[2]^[3] Были изобретены устройства, генерирующие пузырьковые вихревые кольца.^[4]^[5]

Физика

Когда пузырьковое кольцо поднимается, направленная вниз подъемная сила, создаваемая завихренностью, действует на пузырь, чтобы противодействовать силе плавучести. 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.^[6] Кольца пузырьков распадаются на кольца сферических пузырьков, когда кольцо становится тоньше нескольких миллиметров. Это связано с Неустойчивость Плато-Рэлея. Когда пузырек достигает определенной толщины, эффекты поверхностного натяжения искажают поверхность пузыря, разрывая его на отдельные пузыри. Циркуляция жидкости вокруг пузырька помогает стабилизировать пузырь на более длительный срок, противодействуя эффектам нестабильности Плато-Рэлея. Ниже приведено уравнение неустойчивости Плато-Рэлея с циркуляцией в качестве стабилизирующего члена:

{ 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}}} верно]}

куда ${ displaystyle omega}$ скорость роста, ${ displaystyle k}$ - волновое число, ${ displaystyle a}$ - радиус цилиндра пузыря, ${ displaystyle T}$ поверхностное натяжение, ${ displaystyle Gamma}$ это тираж, а ${ Displaystyle К_ {п} (х)}$ это модифицированная функция Бесселя второго вида порядка ${ displaystyle n}$ . Когда ${ displaystyle omega}$ положительный, пузырек устойчив благодаря циркуляции, а когда ${ displaystyle omega}$ отрицательный, эффекты поверхностного натяжения дестабилизируют его и разрушают.^[7] Циркуляция также влияет на скорость и радиальное расширение пузыря. Циркуляция увеличивает скорость, уменьшая скорость радиального расширения. Однако радиальное расширение - это то, что рассеивает энергию, растягивая вихрь.^[8] Нестабильность происходит быстрее в турбулентной воде, но в спокойной воде дайверы могут достичь внешнего диаметра в метр или более, прежде чем пузырь расколется.

Тороидальные пузыри, 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 проткнет 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 поверхности раздела жидкости или вязкость жидкости слишком высока, струя жидкости будет более широкой и не будет проходить через верхнюю часть пузыря. Это приводит к образованию сферического пузыря крышки.^[9] Пузырьки воздуха диаметром более двух сантиметров приобретают тороидальную форму из-за разницы давлений.^[10]

Кавитационные пузыри

Кавитация пузыри, 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.^[11]

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

Китообразные

Китообразные, Такие как белухи, дельфины и горбатые киты, надуть пузырьковые кольца. Дельфины иногда участвуют в сложных играх, специально создавая пузырьковые кольца, по-видимому, для развлечения.^[12] Существуют два основных метода изготовления пузырьковых колец: быстрое выдувание потока воздуха в воду и обеспечение ее подъема на поверхность, образуя кольцо; или создавая тороидальный вихрь своими ламелями и вводя пузырь в спиральный при этом образуются вихревые токи. Затем дельфин часто исследует свое создание визуально и с помощью сонара. Иногда они играют с пузырьками, 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.^[13]

Белухи надувание пузырьковых колец
Вид с воздуха на горбатый пузырчатая сеть

Горбатые киты используйте другой тип пузырькового кольца при кормлении рыбы. Они окружают школа из кормовая рыба с циркуляром пузырчатая сеть и загнать их в приманка.^[14]

Человеческие водолазы

Мальчик дует мыльные пузыри из пузырькового кольца

Немного 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.

Другое использование термина

Термин «пузырьковое кольцо» также используется в других контекстах. Обычная детская игрушка для выдувания мыльных пузырей называется пузырьковое кольцо и заменяет пузырьковая труба игрушка, которая традиционно использовалась в течение многих лет, потому что трубка с пузырями может восприниматься как слишком напоминающая курение и, следовательно, плохой пример для детей. Мыльная пена подвешена на кольце, соединенном стержнем с завинчивающейся крышкой бутылки с мыльной пеной.^[15]

Смотрите также

Дальнейшие ссылки

Дас, Д. и Кумар, В. (2005) "Экспериментальное исследование траектории сжимаемых вихревых колец", 11-я конференция AIAA / CEAS по аэроакустике, стр. 2953. Дои: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 Стр. 558. MIT Press. ISBN 978-0-262-08262-4.
Лундгрен, Т.С.; Мансур, Н.Н. (1991). «Вихревые кольца пузырей». Журнал гидромеханики. 224: 177–196. Bibcode:1991JFM ... 224..177L. Дои:10.1017 / s0022112091001702.
Мартен, К; 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. Дои:10.1038 / scientificamerican0896-82. PMID 8693325.
МакКоуэн, 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. Дои:10.1037/0735-7036.114.1.98. PMID 10739315. Получено 2010-05-23.

внешняя ссылка

[1] Юна, СС; Хайстер, SD (2004). «Нелинейная модель атомизации на основе механизма неустойчивости пограничного слоя» (PDF). Физика жидкостей. 16 (1): 47–61. Bibcode:2004ФФл ... 16 ... 47л. Дои:10.1063/1.1629301. Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-07-22. Получено 2010-05-23.

[2] Рубан В.П .; Расмуссен, Дж. Дж. (2003). «Тороидальные пузыри с циркуляцией в идеальной гидродинамике: вариационный подход». Phys. Rev. 68 (5): 5. arXiv:физика / 0306029. Bibcode:2003PhRvE..68e6301R. Дои:10.1103 / PhysRevE.68.056301. PMID 14682878.

[3] Ван, QX; Yeo, KS; Ху, Британская Колумбия; Лам, KY (2005). «Моделирование Вихревого кольца тороидальных пузырей» (PDF). Журнал Теоретическая и вычислительная гидродинамика. 19 (5): 1432–2250. Bibcode:2005ThCFD..19..303W. Дои:10.1007 / s00162-005-0164-6.

[4] Патент США: Простой метод контролируемого образования вихревых кольцевых пузырьков газа Выдан патент: 6824125, 30 ноября 2004 г.

[5] Патент США: Простое устройство без механизма и способ создания пузырьков вихревых колец в жидкостях Номер патента: 7300040. 27 ноября 2007 г.

[6] Cheng, M .; J. Lou; Лим Т.Т. (2013). «Движение пузырькового кольца в вязкой жидкости» (PDF). Физика жидкостей. 25 (6): 067104–067104–19. Bibcode:2013ФФЛ ... 25ф7104С. Дои:10.1063/1.4811407. Получено 15 октября 2013.

[7] Лундгрен, Т.С.; Мансур, Н.Н. (1991). «Вихревые кольца пузырей». Журнал гидромеханики. 224: 177–196. Bibcode:1991JFM ... 224..177L. Дои:10.1017 / s0022112091001702.

[8] Cheng, M .; J. Lou; Лим Т.Т. (2013). «Движение пузырькового кольца в вязкой жидкости» (PDF). Физика жидкостей. 25 (6): 067104–067104–19. Bibcode:2013ФФЛ ... 25ф7104С. Дои:10.1063/1.4811407. Получено 15 октября 2013.

[9] Чен, Ли; Суреш В. Гаримелла; Джон А. Рейзес; Эдди Леонарди (1999). «Развитие пузыря, поднимающегося в вязкой жидкости». Журнал гидромеханики. 387 (1): 61–96. Bibcode:1999JFM ... 387 ... 61C. Дои:10.1017 / s0022112099004449.

[10] Кен Мартен; Карим Шариф; Сучи Псаракос; Дон Дж. Уайт (1996). "Кольцевые пузыри дельфинов". Scientific American. 275 (2): 82. Bibcode:1996SciAm.275b..82M. Дои:10.1038 / scientificamerican0896-82. PMID 8693325. Архивировано из оригинал на 2019-12-18. Получено 2010-08-02..

[11] Brujan, E.A .; Г.С. Кин; А. Фогель; Дж. Р. Блейк (январь 2002 г.). «Финальная стадия схлопывания кавитационного пузыря вблизи жесткой границы» (PDF). Физика жидкостей. 14 (1): 85. Bibcode:2002ФФл ... 14 ... 85Б. Дои:10.1063/1.1421102. Архивировано из оригинал (PDF) 29 апреля 2016 г.. Получено 21 октября 2013.

[12] «Физика пузырьковых колец и других водолазных выхлопов». Архивировано из оригинал на 2006-10-06. Получено 2006-10-24.

[13] "Кольца пузырей: видео и кадры". Архивировано из оригинал на 2006-10-11. Получено 2006-10-24.

[14] Аклин, Деб (2005-08-05). «Crittercam раскрывает секреты морского мира». National Geographic News. Получено 2007-11-01.

[15] Эрхард Джи (2006) Дизайн из пластика Стр. 227. Hanser Verlag. ISBN 978-1-56990-386-5

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]