Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Судағы ауаның тороидті айналу сақинасы
Toroidal vortex ring of air in water
Көпіршік сақинасы немесе тороидті көпіршік – су астындағы айналу сақинасы, онда ауа көпіршігі айналудың өзегін алып, сақина пішінін құрайды. Ауа сақинасы және оған жақын су, адам қолындағы иілгіш білезіктей, тороидтық түрде айналады. Көпіршік сақинасы қаншалықты жылдам айналса, соғұрлым тұрақты болады. Айналу сақиналарының физикасы сұйықтық динамикасында қазір де зерттеліп жатыр. Көпіршіктік айналу сақиналарын жасауға арналған құрылғылар ойлап табылды.
A bubble ring, or toroidal bubble, is an underwater vortex ring where an air bubble occupies the core of the vortex, forming a ring shape. The ring of air as well as the nearby water spins poloidally as it travels through the water, much like a flexible bracelet might spin when it is rolled on to a person's arm. The faster the bubble ring spins, the more stable it becomes. The physics of vortex rings are still under active study in fluid dynamics. Devices have been invented which generate bubble vortex rings.
Физика
Көпіршік сақинасы жоғары көтерілген кезде, бұрқасынан пайда болатын және көтерілу күшіне қарсы әрекет ететін төмен бағытталған көтеру күші көпіршікке әсер етеді. Бұл көпіршіктің жылдамдығын азайтып, диаметрін арттырады. Сақина жұқарады, бірақ сыртқы су қысымы төмендеген сайын көпіршіктің ішіндегі жалпы көлем артады. Сақина бірнеше миллиметрден жұқа болғанда, көпіршік сақиналары шар тәрізді көпіршіктер сақиналарына бөлінеді. Бұл Плато-Рейли тұрақсыздығына байланысты. Көпіршіктің қалыңдығы белгілі бір деңгейге жеткенде, беттік кернеу әсері оның бетін деформациялайды, оны жеке көпіршіктерге бөліп жібереді. Көпіршіктің айналысындағы сұйықтың айналысы көпіршікті ұзақ уақытқа тұрақтандыруға көмектеседі, Плато-Рейли тұрақсыздығының әсеріне қарсы тұрады. Плато-Рейли тұрақсыздығының циркуляцияны тұрақтандырушы мүше ретінде қолданатын теңдеуі төменде келтірілген:
As the bubble ring rises, a lift force pointing downward that is generated by the vorticity acts on the bubble in order to counteract the buoyancy force. This reduces the bubble's velocity and increases its diameter. The ring becomes thinner, despite the total volume inside the bubble increasing as the external water pressure decreases. Bubble rings fragment into rings of spherical bubbles when the ring becomes thinner than a few millimetres. This is due to Plateau–Rayleigh instability. When the bubble reaches a certain thickness, surface tension effects distort the bubble's surface pulling it apart into separate bubbles. Circulation of the fluid around the bubble helps to stabilize the bubble for a longer duration, counteracting the effects of Plateau–Rayleigh instability. Below is the equation for Plateau–Rayleigh instability with circulation as a stabilizing term:
мұндағы – өсу жылдамдығы, – толқын саны, – көпіршік цилиндрінің радиусы, – беттік кернеу, – циркуляция, ал – екінші түрінің модификацияланған Бессель функциясы. Циркуляция оң болса, көпіршік тұрақты болады, ал теріс болса, беттік кернеу әсері оны тұрақсыздандырып, бөліп жібереді. Циркуляция көпіршіктің жылдамдығы мен радиалды кеңеюіне де әсер етеді. Циркуляция жылдамдықты арттырса, радиалды кеңею жылдамдығын азайтады. Дегенмен, радиалды кеңею – бұл энергияны созу арқылы таратудың жолы. Тұрақсыздық бұзылған суда жылдамырақ жүреді, бірақ тыныш суда суға батып кетушілер көпіршік бөлшектелгенге дейін бір метр немесе одан да көп сыртқы диаметрге жете алады.
where is the growth rate, is the wave number, is the radius of the bubble cylinder, is the surface tension, is the circulation, and is the modified Bessel function of the second kind of order When is positive, the bubble is stable due to circulation and when is negative, surface tension effects destabilize it and break it up. Circulation also has an effect on the velocity and radial expansion of the bubble. Circulation increases the velocity while reducing the rate of radial expansion. Radial expansion however is what diffuses energy by stretching the vortex. Instability happens more quickly in turbulent water, but in calm water, divers can achieve an external diameter of a meter or more before the bubble fragments.
Тороидтық көпіршіктер
Ауа көпіршігі көтерілген кезде, оның үстіңгі және төменгі бөліктері арасында қысымның айырмашылығы пайда болады. Көпіршіктің төменгі бөлігіндегі жоғары қысым, оның төменгі бетін үстіңгі беті көтерілгеннен гөрі жылдам жоғары итеріп шығарады. Бұл көпіршіктің ортасынан жоғары қарай қозғалатын сұйық ағынын тудырады. Егер сұйық ағыны жеткілікті энергияға ие болса, ол көпіршіктің үстіңгі бөлігін тесіп, көпіршік сақинасын жасайды. Көпіршіктің ортасынан өтетін сұйықтың қозғалысының нәтижесінде көпіршік айнала бастайды. Бұл айналу сұйықтықты көпіршіктің айналасында қоздырып, тороидты құйынды (тор тәрізді айналдырады) құрайды. Егер сұйықтық интерфейсінің беттік кернеуі немесе сұйықтықтың тұтқырлығы тым жоғары болса, онда сұйық ағыны кеңейіп, көпіршіктің үстіңгі бөлігіне енбейді. Бұл шар тәрізді қақпақ көпіршікке алып келеді. Диаметрі шамамен екі сантиметрден асатын ауа көпіршіктері қысымның айырмашылығына байланысты тороид пішінде болады.
As an air bubble rises, there is a difference in pressure between the top and bottom of the bubble. The higher pressure at the bottom of the bubble pushes the bubble's bottom surface up faster than the top surface rises. This creates a fluid jet that moves up through the center of the bubble. If the fluid jet has enough energy, it will puncture the top of the bubble and create a bubble ring. Because of the motion of the fluid moving through the center of the bubble, the bubble begins to rotate. This rotation moves the fluid around the bubble creating a toroidal vortex. If the surface tension of the fluid interface or the viscosity of the liquid is too high, then the liquid jet will be more broad and will not penetrate the top of the bubble. This results in a spherical cap bubble. Air bubbles with a diameter greater than about two centimeters become toroidal in shape due to the pressure differences.
Кавитациялық көпіршіктер
Кавитациялық көпіршіктер қатты бетке жақын келгенде, торусқа айналуы мүмкін. Беттен алыс жатқан аймақта статикалық қысымның артуы жоғары қысымды ағынның пайда болуына себеп болады. Бұл ағын қатты бетке қарай бағытталады және қысқа мерзімге торус пішіндес көпіршік құру үшін көпіршікті жарып жібереді. Бұл бетке зиян келтіретін бірнеше соққы толқындарын тудырады.
Cavitation bubbles, when near a solid surface, can also become a torus. The area away from the surface has an increased static pressure causing a high pressure jet to develop. This jet is directed towards the solid surface and breaks through the bubble to form a torus shaped bubble for a short period of time. This generates multiple shock waves that can damage the surface.
Киттер
Киттер сияқты, белуга, дельфин және горбатый киттер көпіршік сақиналарын жасайды. Дельфиндер кейде күрделі ойын әрекеттеріне қатысып, көңіл көтеру үшін мақсатты түрде көпіршік сақиналарын жасайды. Көпіршік сақиналарын жасаудың екі негізгі тәсілі бар: суға ауаның күшті шарпуын жылдам үрлеу және оның сақина түрінде жоғары көтерілуіне мүмкіндік беру; немесе өздерінің қанаттарымен (флюктарымен) сақина тәрізді айналмалы құйындар жасап, содан кейін осы құйындардың спиральді ағымдарына көпіршік енгізу. Дельфин көбінесе жасаған нәрсесін визуалды және сонар арқылы қарап тексереді. Олар кейде көпіршіктермен ойнап, көпіршік сақиналарын бұрмалайды, түпнұсқа сақинадан кішірек сақиналарды бөліп алады немесе түпнұсқа сақинаны өз мұрыншаларымен екі бөлек сақинаға бөледі. Сондай-ақ, олар жасаған айналмалы сақиналарды тістеп, оларды көптеген жеке көпіршіктерге айналдырып, олардың тез жоғары көтерілуін қамтамасыз етеді. Дельфиндер беттегі ауа қорынан пайдаланып, қанаттарымен көпіршік сақиналарын жасауға қабілетті. Горбатый киттер балық аулағанда басқа типтегі көпіршік сақиналарын қолданады. Олар балықтың тобын дөңгелек көпіршік тормен қоршап, оларды біріктіріп, балық жинағына (bait ball) айналдырады.
Cetaceans, such as beluga whales, dolphins and humpback whales, blow bubble rings. Dolphins sometimes engage in complex play behaviours, creating bubble rings on purpose, seemingly for amusement. There are two main methods of bubble ring production: rapid puffing of a burst of air into the water and allowing it to rise to the surface, forming a ring; or creating a toroidal vortex with their flukes and injecting a bubble into the helical vortex currents thus formed. The dolphin will often then examine its creation visually and with sonar. They will sometimes play with the bubbles, distorting the bubble rings, breaking smaller bubble rings off of the original or splitting the original ring into two separate rings using their beak. They also appear to enjoy biting the vortex rings they have created, so that they burst into many separate normal bubbles and then rise quickly to the surface. Dolphins also have the ability to form bubble rings with their flukes by using the reservoir of air at the surface. Humpback whales use another type of bubble ring when they forage for fish. They surround a school of forage fish with a circular bubble net and herd them into a bait ball.
Адам суға түсуші
Кейбір сквабалық және фридайверлер ауыздарынан ауаны ерекше тәсілмен шығарып, көпіршік сақиналарын жасауға болады. Сонымен қатар, ұзын көпіршік сақиналары қатты толқындар сияқты буырқанды суда өздігінен пайда болуы мүмкін.
Some scuba divers and freedivers can create bubble rings by blowing air out of their mouth in a particular manner. Long bubble rings also can form spontaneously in turbulent water such as heavy surf.
Терминнің басқа қолданылуы
"Көпіршік сақинасы" термині басқа да контекстерде қолданылады. Сабынды көпіршіктерді жасауға арналған көптеген балалар ойыншықтары көпіршік сақинасы деп аталады және бұрынғы жылдарда дәстүрлі түрде қолданылып келген көпіршік құбырының орнын басады, себебі көпіршік құбыры темекі шегуді еске түсіріп, балаларға жаман мысал болуы мүмкін. Сабынды су тамшылары сабын сақталатын бөтелкенің бұрандалы қақпағына жалғанған сабағы бар сақинаға ілінеді.
The term "bubble ring" is also used in other contexts. A common children's toy for blowing soap bubbles is called a bubble ring, and replaces the bubble pipe toy that was traditionally used for many years because the bubble pipe can be perceived as too reminiscent of smoking and therefore a bad example for children. Soapsuds are suspended on a ring connected by a stem to the screwcap of a bottle containing soapsuds.
Қосымша сілтемелер
Дас, Д. және Кумар, В. (2005) "Қысылатын сақина тәрізді ағындардың траекториясын тәжірибелік зерттеу", 11-ші AIAA/CEAS Аэроакустика конференциясы, 2953 бет. Хамерофф СР, Касзняк АВ және Скотт А (1998) сана ғылымы II: екінші Тусон талқылаулары мен пікірталастары 558 бет. MIT Press.
Das, D. and Kumar, V. (2005) "Experimental investigation of the trajectory of compressible vortex rings", 11th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, page 2953. Hameroff SR, Kaszniak AW and Scott A (1998) Toward a science of consciousness II: the second Tucson discussions and debates Page 558. MIT Press. .