Vista superior del patrón observado en la periferia exterior de un anillo de mercurio sometido a vibraciones. El número de lóbulos aumenta con la frecuencia de la vibración (respectivamente de izquierda a derecha, de arriba a abajo). El área gris corresponde al cilindro sólido central. Diámetro del toro ~ 4 cm. Crédito:Laroche et al.
Un equipo de investigadores del Laboratorio Laroche, Université Paris Diderot y Université de Lyon han recopilado recientemente las primeras mediciones de las frecuencias de resonancia de un toro de fluido estable. El método que utilizaron para recopilar estas observaciones, esbozado en un artículo publicado en Cartas de revisión física , podría permitir el modelado de una variedad de estructuras a gran escala que surgen transitoriamente en anillos de vórtice.
Los anillos de vórtice son vórtices en forma de toro que pueden aparecer tanto en líquidos como en gases en una variedad de entornos. En naturaleza, hay varios ejemplos de estos anillos de vórtice, incluidos los anillos de burbujas submarinos producidos por buzos o delfines, anillos de humo, y la sangre suena en el corazón humano.
"Aunque se ha demostrado que la dinámica de un anillo de vórtice está dominada por estructuras a gran escala en su periferia, los mecanismos que gobiernan su aparición no se comprenden bien, reflejando en gran medida las dificultades experimentales para generar un toro líquido estable en condiciones bien controladas, "Eric Falcon, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio reciente, dijo Phys.org. "Es en este contexto que queríamos hacer que un anillo fluido fuera estable".
Los anillos de vórtice fueron analizados en profundidad por primera vez por el físico Hermann von Helmholtz. Desde entonces, varios investigadores han estado estudiando extensamente su formación, dinámica y colisiones.
Estudios anteriores han encontrado que es posible generar anillos de vórtice efímeros en un entorno de laboratorio empujando un fluido fuera de un agujero, al impactar un disco sólido en un fluido en reposo, o cuando una gota de líquido cae en otro líquido. Sin embargo, el anillo líquido que surge durante estos experimentos se vuelve rápidamente inestable y se descompone en gotitas individuales.
"Anillos de vórtice, como anillos de humo, son omnipresentes por naturaleza, pero su dinámica aún no se comprende bien, en parte debido a su naturaleza transitoria, "Falcon dijo." En nuestro estudio, pudimos generar de manera estable un anillo (o toroide) de fluido usando un metal líquido, lo que nos permitió estudiar las frecuencias a las que reacciona el toro de fluido ".
Para formar un toro de fluido estable que no desaparezca rápidamente con el tiempo, Falcon y sus colegas usaron mercurio, un metal líquido que no moja las superficies con las que entra en contacto. Los investigadores inyectaron mercurio en la periferia de un cilindro sólido y esto formó un anillo estable de líquido. El cilindro sólido evitaba las ondulaciones de la periferia interior del toro que, de otro modo, no tendría ningún confinamiento para minimizar su superficie.
"Esta nueva técnica nos permitió realizar las primeras mediciones de las frecuencias de resonancia de un toro de fluido sometido a vibraciones:el anillo líquido ve aparecer oscilaciones en su periferia exterior, estos patrones en forma de lóbulo se amplifican en ciertas llamadas frecuencias de resonancia, "Falcon explicó.
El diámetro exterior del toroide líquido que observaron era de alrededor de 4 cm y su relación de aspecto era aproximadamente el doble que la de una rosquilla de confitería típica. El anillo de fluido que crearon descansaba sobre una placa que vibra verticalmente, con una frecuencia y amplitud por debajo de 65 Hz y 0,5 mm, respectivamente. La aceleración correspondiente a esta vibración es inferior a la mitad de la aceleración de la gravedad terrestre.
Falcon y sus colegas utilizaron un método de medición óptica basado en láser para medir con precisión las oscilaciones horizontales en la periferia exterior del toro. También pudieron lograr una visualización directa del vórtice utilizando una cámara colocada directamente sobre el anillo líquido.
Relación de aspecto del toroide fluido en reposo estudiado en el experimento, aproximadamente el doble del de los dulces típicos de rosquillas. Crédito:Laroche et al.
"Con este método óptico preciso, pudimos observar hasta 25 lóbulos que ocurren en la periferia del anillo a medida que aumenta la frecuencia de vibración y pudimos caracterizar las zonas de inestabilidad correspondientes, "Dijo Falcon.
Una vez que reunieron sus observaciones, los investigadores intentaron interpretarlos basándose en teorías físicas existentes. Comparando sus resultados experimentales, adaptaron con éxito el modelo de gota habitual propuesto por Lord Rayleigh en 1879 a un toro de fluido. Sus medidas también les permitieron inferir indirectamente las propiedades geométricas del toro.
Las mediciones únicas recopiladas por Falcon y sus colegas podrían tener varias implicaciones interesantes, tanto para la mecánica de fluidos como para otras áreas de la investigación física. Por ejemplo, su enfoque podría usarse para modelar estructuras a gran escala que aparecen transitoriamente en anillos de vórtice estudiados en varios campos, incluida la física del plasma, biofísica o geofísica.
"En el futuro cercano, nuestro experimento es fácilmente modificable para eliminar el confinamiento interno sólido (reemplazado por un potencial toroidal) e imponer al fluido un flujo rotacional entre los polos del anillo líquido ("vorticidad poloidal"), simplemente aplicando una fuerza electromagnética al metal líquido, ", Dijo Falcon." Esta configuración debería ser capaz de revelar con mayor precisión el origen de estas estructuras transitorias a gran escala en los anillos de vórtice observados en la naturaleza ".
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