Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Пузырьковое кольцо

Пузырь кольцо , или тороидальный пузырь , подводное вихревое кольцо , где воздушный пузырь занимает ядро вихря, образуя форму кольца. Кольцо воздуха, а также близлежащая вода полоидально вращаются 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. [1] Пузырьковые кольца и кольца дыма являются примерами вихревых колец, физика которых все еще активно изучается в гидродинамике . [2] [3] Были изобретены устройства, генерирующие пузырьковые вихревые кольца. [4][5]

Физика [ править ]

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

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 неустойчивостью 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:

где - скорость роста, - волновое число, - радиус цилиндра пузыря, - поверхностное натяжение, - циркуляция, - модифицированная функция Бесселя второго порядка . При положительном значении пузырь устойчив за счет циркуляции, а при отрицательном - эффекты поверхностного натяжения дестабилизируют его и разрушают. [7] Циркуляция также влияет на скорость и радиальное расширение пузыря. Циркуляция увеличивает скорость при уменьшении скорости 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 метра или более, прежде чем пузырь расколется.

Тороидальные пузыри, вызванные плавучестью [ править ]

Когда пузырь воздуха поднимается, возникает разница в давлении между верхом и низом пузырька. Более высокое давление внизу 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 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 верхнюю часть пузыря. Это приводит к образованию сферического пузыря на крышке. [9]Пузырьки воздуха диаметром более двух сантиметров приобретают тороидальную форму из-за разницы давлений. [10]

Кавитационные пузыри [ править ]

Кавитационные 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 на короткое время прорывается через пузырек, образуя пузырек в форме тора. Это генерирует множественные ударные волны, которые могут повредить поверхность. [11]

  • Пузырьковое кольцо образует вихревое кольцо в форме пончика, которое полоидально вращается в направлении стрелок.

  • Пузырьковое кольцо движется в том же направлении, что и его внутренняя сторона.

  • Подводный дайвер надувает пузырьковое кольцо

  • Аквалангист дует пузырь кольцо

Китообразные [ править ]

Китообразные , такие как белухи , дельфины и горбатые киты , раздувают пузырьковые кольца. Дельфины иногда участвуют в сложных играх, специально создавая пузырьковые кольца, по-видимому, для развлечения. [12] Существует 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 впрыскивая пузырь в спиральныйпри этом образуются 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 своим клювом. 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 дуют пузырьковые кольца

  • Вид с воздуха на горбатую пузырчатую сеть

Горбатые киты используют другой тип пузырьковых колец при добыче рыбы. Они окружают школу в кормовой рыбы с круговой пузырьковой сеткой и загонять их в приманку мяч . [14]

Люди-водолазы [ править ]

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 [ править ]

Термин «пузырьковое кольцо» также используется в других контекстах. Обычная детская игрушка для выдувания мыльных пузырей называется пузырчатым кольцом и заменяет игрушку- пузырчатую трубку, которая традиционно использовалась в течение многих лет, поскольку пузырчатая трубка 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]

См. Также [ править ]

  • Карусельное кормление
  • Дымовое кольцо
  • Игрушка вихревого кольца

Ссылки [ править ]

  1. ^ Yoona, СС; Хайстер, SD (2004). «Нелинейная модель атомизации, основанная на механизме неустойчивости пограничного слоя» (PDF) . Физика жидкостей . 16 (1): 47–61. Bibcode : 2004PhFl ... 16 ... 47Y . DOI : 10.1063 / 1.1629301 . Архивировано из оригинального (PDF) 22 июля 2011 года . Проверено 23 мая 2010 .
  2. ^ Рубан, В. П.; Расмуссен, Дж. Дж. (2003). «Тороидальные пузыри с циркуляцией в идеальной гидродинамике: вариационный подход». Phys. Ред . 68 (5): 5. arXiv : Physics / 0306029 . Bibcode : 2003PhRvE..68e6301R . DOI : 10.1103 / PhysRevE.68.056301 . PMID 14682878 . 
  3. ^ Ван, QX; Yeo, KS; Ху, Британская Колумбия; Лам, Кентукки (2005). «Моделирование вихревых колец тороидальных пузырей» (PDF) . Журнал Теоретическая и вычислительная гидродинамика . 19 (5): 1432–2250. Bibcode : 2005ThCFD..19..303W . DOI : 10.1007 / s00162-005-0164-6 .
  4. ↑ Патент США: простой метод контролируемого производства вихревых кольцевых пузырьков газа. Выдан патент: 6824125, 30 ноября 2004 г.
  5. ↑ Патент США: Простое устройство без механизма и способ получения пузырьков вихревых колец в жидкостях. Номер патента: 7300040. 27 ноября 2007 г.
  6. ^ Cheng, M .; J. Lou; Т. Т. Лим (2013). «Движение пузырькового кольца в вязкой жидкости» (PDF) . Физика жидкостей . 25 (6): 067104–067104–19. Bibcode : 2013PhFl ... 25f7104C . DOI : 10.1063 / 1.4811407 . Проверено 15 октября 2013 года .
  7. ^ Лундгрен, TS; Мансур, Н.Н. (1991). «Вихревые кольца пузырей» . Журнал гидромеханики . 224 : 177–196. Bibcode : 1991JFM ... 224..177L . DOI : 10.1017 / s0022112091001702 .
  8. ^ Cheng, M .; J. Lou; Т. Т. Лим (2013). «Движение пузырькового кольца в вязкой жидкости» (PDF) . Физика жидкостей . 25 (6): 067104–067104–19. Bibcode : 2013PhFl ... 25f7104C . DOI : 10.1063 / 1.4811407 . Проверено 15 октября 2013 года .
  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 ... 61С . DOI : 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 . DOI : 10.1038 / Scientificamerican0896-82 . PMID 8693325 . Архивировано из оригинала на 2019-12-18 . Проверено 2 августа 2010 . .
  11. ^ Brujan, EA; GS Keen; А. Фогель; Дж. Р. Блейк (январь 2002 г.). «Финальная стадия схлопывания кавитационного пузыря вблизи жесткой границы» (PDF) . Физика жидкостей . 14 (1): 85. Bibcode : 2002PhFl ... 14 ... 85B . DOI : 10.1063 / 1.1421102 . Архивировано из оригинального (PDF) 29 апреля 2016 года . Проверено 21 октября 2013 года .
  12. ^ «Физика пузырьковых колец и других водолазных выхлопов» . Архивировано из оригинала на 2006-10-06 . Проверено 24 октября 2006 .
  13. ^ «Пузырьковые кольца: видео и кадры» . Архивировано из оригинала на 2006-10-11 . Проверено 24 октября 2006 .
  14. ^ Аклин, Деб (2005-08-05). «Crittercam раскрывает секреты морского мира» . National Geographic News . Проверено 1 ноября 2007 .
  15. ^ Эрхард G (2006) Проектирование с использованием пластика Страница 227. Hanser Verlag. ISBN 978-1-56990-386-5 

Дальнейшие ссылки [ править ]

  • 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 Стр. 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 .
  • Куница, К; Шариф, К; Псаракос, S; Белый, ди-джей (1996). «Кольцевые пузыри дельфинов. Многие афалины на Гавайях могут создавать мерцающие, устойчивые кольца и спирали из воздуха в процессе игры». Scientific American . 275 (2): 82–87. Bibcode : 1996SciAm.275b..82M . DOI : 10.1038 / Scientificamerican0896-82 . PMID  8693325 .
  • МакКоуэн, B; Марино, Л; Вэнс, E; Walke, L; Рейсс, Д. (2000). «Игра пузырьков-колец 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 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Кольца с дельфинами
  • Пузырьковые кольца дельфинов (видео)
  • Дельфин делает пузырьковые кольца и играет в них (видео)
  • Различные видео пузырьковых колец
  • BubbleRings.com