Пузырьковое кольцо

Внешние видео
Внешние видео
	Дельфины реагируют на кольца пузырей BBC Earth

Внешние видео
Внешние видео
	Пузырьковая деформация времени — в замедленной съемке YouTube

, Пузырьковое кольцо или тороидальный пузырь , представляет собой подводное вихревое кольцо , в котором воздушный пузырь занимает ядро вихря, образуя форму кольца. Кольцо воздуха, а также близлежащая вода вращаются полоидально , проходя через воду, подобно тому, как может вращаться гибкий браслет, когда его надевают на руку человека. Чем быстрее вращается пузырьковое кольцо, тем стабильнее оно становится. ^[1] Физика вихревых колец все еще активно изучается в гидродинамике . ^[2]^[3] Были изобретены устройства, генерирующие пузырьковые вихревые кольца. ^[4]^[5]

Физика

Когда пузырьковое кольцо поднимается, на пузырь действует подъемная сила, направленная вниз, создаваемая завихренностью, чтобы противодействовать силе плавучести. Это уменьшает скорость пузыря и увеличивает его диаметр. Кольцо становится тоньше, несмотря на то, что общий объем внутри пузыря увеличивается по мере уменьшения внешнего давления воды. ^[6] Пузырьковые кольца распадаются на кольца сферических пузырьков, когда кольцо становится тоньше нескольких миллиметров. Это связано с неустойчивостью Плато-Релея . Когда пузырь достигает определенной толщины, эффекты поверхностного натяжения искажают поверхность пузыря, разрывая его на отдельные пузырьки. Циркуляция жидкости вокруг пузыря помогает стабилизировать пузырь на более длительный срок, противодействуя эффектам нестабильности Плато – Рэлея. Ниже приведено уравнение неустойчивости Плато – Рэлея с циркуляцией в качестве стабилизирующего члена:

\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 $\omega$ это темп роста, $k$ волновое число, $a$ - радиус пузырькового цилиндра, $T$ поверхностное натяжение, $\Gamma$ это циркуляция, и $K_{n}(x)$ — модифицированная функция Бесселя второго рода порядка $n$ . Когда $\omega$ положителен, пузырек стабилен благодаря циркуляции и при $\omega$ является отрицательным, эффекты поверхностного натяжения дестабилизируют его и разрушают. ^[7] Циркуляция также влияет на скорость и радиальное расширение пузыря. Циркуляция увеличивает скорость, одновременно снижая 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 и более, прежде чем пузырь фрагментируется.

Тороидальные пузырьки, вызванные плавучестью

Когда воздушный пузырь поднимается, возникает разница давлений между верхней и нижней частью пузыря. Более высокое давление в нижней части пузыря толкает нижнюю поверхность пузыря вверх быстрее, чем поднимается верхняя поверхность. Это создает струю жидкости, которая движется вверх через центр пузыря. Если струя жидкости имеет достаточную энергию, она проткнет верхнюю часть пузыря и создаст пузырьковое кольцо. Из-за движения жидкости, проходящей через центр пузыря, пузырь начинает вращаться. Это вращение перемещает жидкость вокруг пузыря, создавая тороидальный вихрь. Если поверхностное натяжение границы раздела жидкости или вязкость жидкости слишком высоки, то струя жидкости будет более широкой и не проникнет через верхнюю часть пузыря. В результате образуется сферический пузырь с крышкой. ^[9] Пузырьки воздуха диаметром более двух сантиметров из-за разницы давлений приобретают тороидальную форму. ^[10]

Кавитационные пузырьки

Кавитационные пузырьки, находясь вблизи твердой поверхности, также могут стать тором. Участок от поверхности имеет повышенное статическое давление, вызывающее образование струи высокого давления. Эта струя направляется к твердой поверхности и на короткое время прорывает пузырь, образуя пузырь в форме тора. Это создает множественные ударные волны, которые могут повредить поверхность. ^[11]

Пузырьковое кольцо образует вихревое кольцо , имеющее форму бублика, которое полоидально вращается в направлении стрелок.
Пузырьковое кольцо движется в том же направлении, в котором вращается его внутренняя сторона.

Подводный дайвер выдувает кольцо из пузырей.
Аквалангист . надувает кольцо из пузырей

Китообразные

Китообразные , такие как белухи , дельфины и горбатые киты , пускают кольца пузырей. Дельфины иногда демонстрируют сложное игровое поведение, намеренно создавая кольца из пузырей, по-видимому, для развлечения. ^[12] Существует два основных метода изготовления пузырьковых колец: быстрое нагнетание потока воздуха в воду и его подъем на поверхность, образуя кольцо; или создать тороидальный вихрь с помощью своих плавников и ввести пузырь в образовавшиеся таким образом спиральные вихревые потоки. Затем дельфин часто исследует свое творение визуально и с помощью сонара. Иногда они играют с пузырьками, деформируя кольца пузырей, отрывая кольца пузырей меньшего размера от оригинала или разделяя исходное кольцо на два отдельных кольца с помощью клюва. Похоже, им также нравится кусать созданные ими вихревые кольца, так что они разрываются на множество отдельных обычных пузырей, а затем быстро поднимаются на поверхность. Дельфины также обладают способностью образовывать пузырьковые кольца своими плавниками, используя резервуар воздуха на поверхности. ^[13]

Белухи пускают кольца пузырей в аквариуме Симанэ
Вид с воздуха на горбатую пузырчатую сеть

Горбатые киты используют пузырьковые кольца другого типа, когда добывают рыбу. Они окружают косяк кормовых рыб круглой пузырчатой сеткой и сбивают их в шарик с приманкой . ^[14]

Люди-дайверы

Мальчик выдувает мыльные пузыри из кольца для пузырей

Некоторые аквалангисты и фридайверы могут создавать кольца пузырей, выдувая воздух изо рта определенным образом. Длинные пузырьковые кольца также могут образовываться самопроизвольно в бурной воде, например при сильном прибое.

Другие варианты использования термина

Термин «пузырьковое кольцо» также используется в других контекстах. Обычная детская игрушка для выдувания мыльных пузырей называется кольцом для мыльных пузырей и заменяет игрушку с трубкой для мыльных пузырей , которая традиционно использовалась в течение многих лет, поскольку трубка для мыльных пузырей может восприниматься как слишком напоминающая курение и, следовательно, являющаяся плохим примером для детей. Мыльная пена подвешивается на кольце, соединенном ножкой с завинчивающейся крышкой бутылки с мыльной пеной. ^[15]

См. также

Ссылки

^ Юна, СС; Хейстер, SD (2004). «Модель нелинейной атомизации, основанная на механизме нестабильности пограничного слоя» (PDF) . Физика жидкостей . 16 (1): 47–61. Бибкод : 2004ФФл...16...47Г . дои : 10.1063/1.1629301 . Архивировано из оригинала (PDF) 22 июля 2011 г. Проверено 23 мая 2010 г.
^ Рубан, вице-президент; Расмуссен, Джей Джей (2003). «Тороидальные пузыри с циркуляцией в идеальной гидродинамике: вариационный подход». Физ. Преподобный . 68 (5): 5. arXiv : физика/0306029 . Бибкод : 2003PhRvE..68e6301R . дои : 10.1103/PhysRevE.68.056301 . ПМИД 14682878 . S2CID 11765709 .
^ Ван, QX; Йо, КС; Ху, Британская Колумбия; Лам, Кентукки (2005). «Моделирование тороидальных пузырей VORTEX-кольцом» (PDF) . Теоретическая и вычислительная гидродинамика . 19 (5): 1432–2250. Бибкод : 2005ThCFD..19..303W . дои : 10.1007/s00162-005-0164-6 . S2CID 52219528 .
^ Патент США: Простой метод контролируемого производства кольцевых пузырьков газа VORTEX. Архивировано 26 сентября 2011 г. в Wayback Machine. Выдан патент: 6824125, 30 ноября 2004 г.
^ Патент США: Простое устройство без механизма и метод создания кольцевых пузырьков VORTEX в жидкостях. Архивировано 24 февраля 2012 г., номер патента Wayback Machine : 7300040. 27 ноября 2007 г.
^ Ченг, М.; Дж. Лу; Т.Т. Лим (2013). «Движение пузырькового кольца в вязкой жидкости» (PDF) . Физика жидкостей . 25 (6): 067104–067104–19. Бибкод : 2013PhFl...25f7104C . дои : 10.1063/1.4811407 . Проверено 15 октября 2013 г.
^ Лундгрен, Т.С.; Мансур, Н.Н. (1991). «ВИХРЕВЫЕ кольцевые пузыри» . Журнал механики жидкости . 224 : 177–196. Бибкод : 1991JFM...224..177L . дои : 10.1017/s0022112091001702 . S2CID 120629247 .
^ Ченг, М.; Дж. Лу; Т.Т. Лим (2013). «Движение пузырькового кольца в вязкой жидкости» (PDF) . Физика жидкостей . 25 (6): 067104–067104–19. Бибкод : 2013PhFl...25f7104C . дои : 10.1063/1.4811407 . Проверено 15 октября 2013 г.
^ Чен, Ли; Суреш В. Гаримелла; Джон А. Рейзес; Эдди Леонарди (1999). «Развитие пузыря, поднимающегося в вязкой жидкости». Журнал механики жидкости . 387 (1): 61–96. Бибкод : 1999JFM...387...61C . дои : 10.1017/s0022112099004449 . S2CID 18934972 .
^ Кен Мартен; Карим Шариф; Сучи Псаракос; Дон Дж. Уайт (1996). «Кольцевые пузыри дельфинов» . Научный американец . 275 (2): 82–87. Бибкод : 1996SciAm.275b..82M . doi : 10.1038/scientificamerican0896-82 . ПМИД 8693325 . Архивировано из оригинала 18 декабря 2019 г. Проверено 2 августа 2010 г. .
^ Брухан, Э.А.; Г.С. Кин; А. Фогель; Дж. Р. Блейк (январь 2002 г.). «Завершающая стадия коллапса кавитационного пузыря вблизи жесткой границы» (PDF) . Физика жидкостей . 14 (1): 85. Бибкод : 2002ФФл...14...85Б . дои : 10.1063/1.1421102 . S2CID 13668310 . Архивировано из оригинала (PDF) 29 апреля 2016 года . Проверено 21 октября 2013 г.
^ «Физика пузырьковых колец и других дайверских выхлопов» . Архивировано из оригинала 6 октября 2006 г. Проверено 24 октября 2006 г.
^ «Кольца пузырей: видео и кадры» . Архивировано из оригинала 11 октября 2006 г. Проверено 24 октября 2006 г.
^ Аклин, Деб (5 августа 2005 г.). «Crittercam раскрывает тайны морского мира» . Национальные географические новости. Архивировано из оригинала 27 июня 2002 года . Проверено 1 ноября 2007 г.
^ Эрхард Г. (2006) Проектирование с использованием пластмасс. Страница 227. Hanser Verlag. ISBN 978-1-56990-386-5

Дальнейшие ссылки

Дас Д. и Кумар В. (2005) «Экспериментальное исследование траектории сжимаемых вихревых колец», 11-я конференция по аэроакустике AIAA/CEAS, стр. 2953. дои : 10.2514/6.2005-2953 .
Хамерофф С.Р., Кашняк А.В. и Скотт А. (1998) На пути 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 кольцевые пузыри» . Журнал механики жидкости . 224 : 177–196. Бибкод : 1991JFM...224..177L . дои : 10.1017/s0022112091001702 . S2CID 120629247 .
Мартен, К; Шариф, К; Псаракос, С; Уайт, диджей (1996). «Кольцевые пузыри дельфинов. Некоторые афалины на Гавайях могут создавать мерцающие, устойчивые кольца и спирали воздуха в ходе игры». Научный американец . 275 (2): 82–87. Бибкод : 1996SciAm.275b..82M . doi : 10.1038/scientificamerican0896-82 . ПМИД 8693325 .
МакКоуэн, Б; Марино, Л; Вэнс, Э; Уок, Л; Рейсс, Д. (2000). «Игра афалины (Tursiops truncatus) с пузырьковыми кольцами: значение для познания» (PDF) . Журнал сравнительной психологии . 114 (1): 98–106. дои : 10.1037/0735-7036.114.1.98 . ПМИД 10739315 . Архивировано из оригинала (PDF) 10 июня 2010 г. Проверено 23 мая 2010 г.

Внешние ссылки

[1] Юна, СС; Хейстер, SD (2004). «Модель нелинейной атомизации, основанная на механизме нестабильности пограничного слоя» (PDF) . Физика жидкостей . 16 (1): 47–61. Бибкод : 2004ФФл...16...47Г . дои : 10.1063/1.1629301 . Архивировано из оригинала (PDF) 22 июля 2011 г. Проверено 23 мая 2010 г.

[2] Рубан, вице-президент; Расмуссен, Джей Джей (2003). «Тороидальные пузыри с циркуляцией в идеальной гидродинамике: вариационный подход». Физ. Преподобный . 68 (5): 5. arXiv : физика/0306029 . Бибкод : 2003PhRvE..68e6301R . дои : 10.1103/PhysRevE.68.056301 . ПМИД 14682878 . S2CID 11765709 .

[3] Ван, QX; Йо, КС; Ху, Британская Колумбия; Лам, Кентукки (2005). «Моделирование тороидальных пузырей VORTEX-кольцом» (PDF) . Теоретическая и вычислительная гидродинамика . 19 (5): 1432–2250. Бибкод : 2005ThCFD..19..303W . дои : 10.1007/s00162-005-0164-6 . S2CID 52219528 .

[4] Патент США: Простой метод контролируемого производства кольцевых пузырьков газа VORTEX. Архивировано 26 сентября 2011 г. в Wayback Machine. Выдан патент: 6824125, 30 ноября 2004 г.

[5] Патент США: Простое устройство без механизма и метод создания кольцевых пузырьков VORTEX в жидкостях. Архивировано 24 февраля 2012 г., номер патента Wayback Machine : 7300040. 27 ноября 2007 г.

[6] Ченг, М.; Дж. Лу; Т.Т. Лим (2013). «Движение пузырькового кольца в вязкой жидкости» (PDF) . Физика жидкостей . 25 (6): 067104–067104–19. Бибкод : 2013PhFl...25f7104C . дои : 10.1063/1.4811407 . Проверено 15 октября 2013 г.

[7] Лундгрен, Т.С.; Мансур, Н.Н. (1991). «ВИХРЕВЫЕ кольцевые пузыри» . Журнал механики жидкости . 224 : 177–196. Бибкод : 1991JFM...224..177L . дои : 10.1017/s0022112091001702 . S2CID 120629247 .

[8] Ченг, М.; Дж. Лу; Т.Т. Лим (2013). «Движение пузырькового кольца в вязкой жидкости» (PDF) . Физика жидкостей . 25 (6): 067104–067104–19. Бибкод : 2013PhFl...25f7104C . дои : 10.1063/1.4811407 . Проверено 15 октября 2013 г.

[9] Чен, Ли; Суреш В. Гаримелла; Джон А. Рейзес; Эдди Леонарди (1999). «Развитие пузыря, поднимающегося в вязкой жидкости». Журнал механики жидкости . 387 (1): 61–96. Бибкод : 1999JFM...387...61C . дои : 10.1017/s0022112099004449 . S2CID 18934972 .

[10] Кен Мартен; Карим Шариф; Сучи Псаракос; Дон Дж. Уайт (1996). «Кольцевые пузыри дельфинов» . Научный американец . 275 (2): 82–87. Бибкод : 1996SciAm.275b..82M . doi : 10.1038/scientificamerican0896-82 . ПМИД 8693325 . Архивировано из оригинала 18 декабря 2019 г. Проверено 2 августа 2010 г. .

[11] Брухан, Э.А.; Г.С. Кин; А. Фогель; Дж. Р. Блейк (январь 2002 г.). «Завершающая стадия коллапса кавитационного пузыря вблизи жесткой границы» (PDF) . Физика жидкостей . 14 (1): 85. Бибкод : 2002ФФл...14...85Б . дои : 10.1063/1.1421102 . S2CID 13668310 . Архивировано из оригинала (PDF) 29 апреля 2016 года . Проверено 21 октября 2013 г.

[12] «Физика пузырьковых колец и других дайверских выхлопов» . Архивировано из оригинала 6 октября 2006 г. Проверено 24 октября 2006 г.

[13] «Кольца пузырей: видео и кадры» . Архивировано из оригинала 11 октября 2006 г. Проверено 24 октября 2006 г.

[14] Аклин, Деб (5 августа 2005 г.). «Crittercam раскрывает тайны морского мира» . Национальные географические новости. Архивировано из оригинала 27 июня 2002 года . Проверено 1 ноября 2007 г.

[15] Эрхард Г. (2006) Проектирование с использованием пластмасс. Страница 227. Hanser Verlag. ISBN 978-1-56990-386-5

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]