Введение

Торёидальное кольцо воздуха в воде

Пузырьковое кольцо, или торёидальный пузырь, — это подводное вихревое кольцо, в котором пузырь воздуха занимает ядро вихря, формируя кольцеобразную структуру. Само кольцо воздуха и окружающая его вода вращаются по спирали по мере движения в воде, подобно тому, как гибкий браслет вращается при надевании на руку. Чем быстрее вращается пузырьковое кольцо, тем стабильнее оно становится. Физика вихревых колец продолжает активно изучаться в гидродинамике. Были изобретены устройства для генерации пузырьковых вихревых колец.

Физика

По мере того, как пузырьковое кольцо поднимается, на пузырь действует направленная вниз сила подъема, создаваемая вихревым движением, чтобы противодействовать силе Архимеда. Это уменьшает скорость пузыря и увеличивает его диаметр. Кольцо становится тоньше, несмотря на то, что общий объем внутри пузыря увеличивается по мере снижения внешнего гидростатического давления. Пузырьковые кольца фрагментируются на кольца из сферических пузырьков, когда толщина кольца становится меньше нескольких миллиметров. Это происходит из-за неустойчивости Плато-Рейли. Когда пузырь достигает определенной толщины, эффекты поверхностного натяжения деформируют его поверхность, разделяя его на отдельные пузырьки. Циркуляция жидкости вокруг пузыря способствует его стабилизации на более длительный срок, противодействуя эффектам неустойчивости Плато-Рейли. Ниже приведено уравнение для неустойчивости Плато-Рейли, в котором циркуляция выступает в качестве стабилизирующего члена:

где – скорость нарастания, – волновое число, – радиус цилиндра пузыря, – поверхностное натяжение, – циркуляция, а – модифицированная функция Бесселя второго рода порядка. Если положительно, пузырь стабилен благодаря циркуляции, а если отрицательно, эффекты поверхностного натяжения дестабилизируют его и приводят к разрушению. Циркуляция также влияет на скорость и радиальное расширение пузыря. Циркуляция увеличивает скорость, одновременно уменьшая скорость радиального расширения. Однако именно радиальное расширение рассеивает энергию, растягивая вихрь. Неустойчивость развивается быстрее в турбулентной воде, но в спокойной воде водолазы могут достичь внешнего диаметра в метр и более, прежде чем кольцо фрагментируется.

Бульбашки с торфяной формой, вызванные плавучестью

Когда воздушный пузырь поднимается, возникает разница в давлении между верхней и нижней его частями. Более высокое давление в нижней части пузыря толкает его нижнюю поверхность вверх быстрее, чем поднимается верхняя. Это создает жидкостную струю, которая движется вверх по центру пузыря. Если эта струя обладает достаточной энергией, она пробивает верхнюю часть пузыря, формируя пузырьковое кольцо. Из-за движения жидкости, проходящей через центр пузыря, сам пузырь начинает вращаться. Это вращение перемещает жидкость вокруг пузыря, создавая тороидальный вихрь. Если поверхностное натяжение на границе раздела жидкостей или вязкость жидкости слишком велики, то струя жидкости становится шире и не проникает сквозь верхнюю часть пузыря. В результате образуется пузырь в форме сферического колпака. Воздушные пузыри диаметром более двух сантиметров приобретают тороидальную форму из-за разницы в давлении.

Пузырьки кавитации

Пузырьки кавитации, находясь вблизи твердой поверхности, также могут приобретать форму тора. Область, удаленная от поверхности, испытывает повышенное статическое давление, что приводит к образованию струи высокого давления. Эта струя направлена к твердой поверхности и прорывает пузырек, формируя на короткое время пузырь тороидальной формы. Это генерирует множество ударных волн, способных повредить поверхность.

Киты

Киты, такие как белухи, дельфины и горбатые киты, выдувают пузырьковые кольца. Дельфины иногда демонстрируют сложное игровое поведение, намеренно создавая пузырьковые кольца, по-видимому, ради забавы. Существует два основных способа создания пузырьковых колец: быстрый выпуск струи воздуха в воду и позволение ей подняться к поверхности, формируя кольцо; или создание тороидального вихря с помощью хвостового плавника и введение пузыря в образовавшиеся спиральные вихревые потоки. Дельфин часто затем изучает свое творение визуально и с помощью эхолокации. Они могут играть с пузырями, деформируя кольца, отрывая от основного кольца более мелкие или разделяя его на два отдельных кольца с помощью рыла. Они также, кажется, получают удовольствие, кусая созданные ими вихревые кольца, заставляя их лопаться на множество отдельных пузырей, которые затем быстро поднимаются на поверхность. Дельфины также способны формировать пузырьковые кольца, используя запас воздуха у поверхности. Горбатые киты используют другой тип пузырьковых колец во время охоты на рыбу. Они окружают косяк кормовой рыбы круговой пузырьковой сетью и загоняют ее в "шар приманки".

Человеческие дайверы

Некоторые аквалангисты и фридайверы могут создавать пузырьковые кольца, выдыхая воздух изо рта особым образом. Длинные пузырьковые кольца также могут спонтанно формироваться в турбулентных водах, например, при сильном волнении.

Другие значения термина

Термин "пузырьковое кольцо" также используется в других контекстах. Распространенная детская игрушка для выдувания мыльных пузырей называется пузырьковым кольцом и заменяет традиционную трубку для мыльных пузырей, которая использовалась на протяжении многих лет, поскольку она может восприниматься как слишком напоминающая курение и, следовательно, являться плохим примером для детей. Мыльная вода удерживается на кольце, соединенном стеблем с винтовой крышкой бутылки, содержащей мыльную воду.

Дополнительные ссылки

Дас, Д. и Кумар, В. (2005) "Экспериментальное исследование траектории сжимаемых вихревых колец", 11-я конференция AIAA/CEAS по аэроакустике, страница 2953. Hameroff SR, Kaszniak AW и Scott A (1998) На пути к науке о сознании II: Вторые Тусонские дискуссии и дебаты, страница 558. Издательство MIT.