Vista dall'alto del pattern osservato sulla periferia esterna di un anello di mercurio sottoposto a vibrazioni. Il numero dei lobi aumenta con la frequenza della vibrazione (rispettivamente da sinistra a destra, da cima a fondo). L'area grigia corrisponde al cilindro pieno centrale. Diametro del toro ~ 4 cm. Credito:Laroche et al.
Un team di ricercatori del Laroche Laboratory, L'Université Paris Diderot e l'Université de Lyon hanno recentemente raccolto le prime misurazioni delle frequenze di risonanza di un toroide stabile di fluido. Il metodo usato per raccogliere queste osservazioni, delineato in un articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , potrebbe consentire la modellazione di una varietà di strutture su larga scala che sorgono transitoriamente negli anelli di vortice.
Gli anelli di vortice sono vortici a forma di toro che possono apparire sia nei liquidi che nei gas in una varietà di impostazioni. In natura, ci sono diversi esempi di questi anelli di vortice, compresi anelli di bolle subacquei prodotti da subacquei o delfini, anelli di fumo, e anelli di sangue nel cuore umano.
"Sebbene sia stato dimostrato che la dinamica di un anello di vortice è dominata da strutture su larga scala alla sua periferia, i meccanismi che regolano il loro aspetto non sono ben compresi, riflettendo in larga misura le difficoltà sperimentali nel generare un toroide liquido stabile in condizioni ben controllate, "Eric Falcone, uno dei ricercatori che ha condotto il recente studio, ha detto a Phys.org. "È in questo contesto che volevamo rendere stabile un anello fluido".
Gli anelli di vortice sono stati analizzati per la prima volta in profondità dal fisico Hermann von Helmholtz. Da allora, diversi ricercatori hanno studiato a fondo la loro formazione, dinamiche e collisioni.
Studi precedenti hanno scoperto che è possibile generare anelli di vortice effimeri in un ambiente di laboratorio spingendo un fluido fuori da un foro, impattando un disco solido in un fluido a riposo, o quando una goccia di liquido cade in un altro liquido. Però, l'anello liquido che si forma durante questi esperimenti diventa rapidamente instabile e si scompone in singole goccioline.
"Anelli di vortice, come anelli di fumo, sono onnipresenti in natura, ma le loro dinamiche non sono ancora ben comprese, in parte a causa della loro natura transitoria, " disse Falcon. "Nel nostro studio, siamo stati in grado di generare stabilmente un anello (o toro) di fluido utilizzando un metallo liquido, che ci ha permesso di studiare le frequenze alle quali reagisce il toroide del fluido."
Per formare un toroide fluido stabile che non scompaia rapidamente nel tempo, Falcon e i suoi colleghi hanno usato il mercurio, un metallo liquido che non bagna le superfici con cui viene a contatto. I ricercatori hanno iniettato mercurio alla periferia di un cilindro solido e questo ha formato un anello stabile di liquido. Il cilindro solido ha impedito le ondulazioni della periferia interna del toro che altrimenti non avrebbe alcun confinamento per minimizzare la sua superficie.
"Questa nuova tecnica ci ha permesso di effettuare le prime misurazioni delle frequenze di risonanza di un toroide di fluido sottoposto a vibrazioni:l'anello liquido vede apparire delle oscillazioni sulla sua periferia esterna, questi schemi a forma di lobo essendo amplificati a certe cosiddette frequenze di risonanza, "Spiega Falco.
Il diametro esterno del toroide liquido che hanno osservato era di circa 4 cm e il suo rapporto di aspetto era circa il doppio di quello di una tipica ciambella di pasticceria. L'anello fluido che hanno creato poggiava su un piatto che vibra verticalmente, con una frequenza e un'ampiezza inferiori a 65 Hz e 0,5 mm, rispettivamente. L'accelerazione corrispondente a questa vibrazione è inferiore alla metà dell'accelerazione della gravità terrestre.
Falcon e i suoi colleghi hanno utilizzato un metodo di misurazione ottico basato su laser per misurare con precisione le oscillazioni orizzontali alla periferia esterna del toroide. Sono stati anche in grado di ottenere una visualizzazione diretta del vortice utilizzando una telecamera posizionata direttamente sopra l'anello liquido.
Aspect ratio del toroide fluido a riposo studiato nell'esperimento, circa il doppio di quello della tipica pasticceria a ciambella. Credito:Laroche et al.
"Utilizzando questo accurato metodo ottico, siamo stati in grado di osservare fino a 25 lobi che si verificano alla periferia dell'anello all'aumentare della frequenza di vibrazione e siamo stati in grado di caratterizzare le corrispondenti zone di instabilità, " disse Falco.
Una volta raccolte le loro osservazioni, i ricercatori hanno cercato di interpretarli sulla base delle teorie fisiche esistenti. Confrontando i loro risultati sperimentali, adattarono con successo il consueto modello a goccia proposto da Lord Rayleigh nel 1879 a un toroide di fluido. Le loro misurazioni hanno anche permesso loro di dedurre indirettamente le proprietà geometriche del toro.
Le misurazioni uniche raccolte da Falcon e dai suoi colleghi potrebbero avere diverse implicazioni interessanti, sia per la meccanica dei fluidi che per altre aree di ricerca in fisica. Ad esempio, il loro approccio potrebbe essere utilizzato per modellare strutture su larga scala che appaiono transitoriamente in anelli di vortici studiati in vari campi, compresa la fisica del plasma, biofisica o geofisica.
"Nel futuro prossimo, il nostro esperimento è facilmente modificabile per rimuovere il confinamento solido interno (sostituito da un potenziale toroidale) e per imporre al fluido un flusso rotazionale tra i poli dell'anello liquido ("vorticità poloidale"), semplicemente applicando una forza elettromagnetica al metallo liquido, "Ha detto Falcon. "Questa configurazione dovrebbe quindi essere in grado di rivelare più precisamente l'origine di queste strutture transitorie su larga scala negli anelli di vortici osservati in natura".
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