近日,拉羅什實驗室、巴黎迪德羅大學和里昂大學的一組科學家,收集了穩定流體環面共振頻率的第一次測量結果,用來收集這些觀測的方法,在發表在《物理評論快報》上的研究論文中概述了可以對渦環中瞬時出現的各種大規模結構進行建模。渦環是環狀漩渦,可以在各種設置下出現在液體和氣體中。在自然界中,有幾個這樣的渦環的例子,包括潛水員或海豚產生的水下氣泡環,煙環和人類心臟中的血環,進行這項研究的研究人員之一埃里克·法爾肯(Eric Falcon)表示:


新發現!里昂大學等通過建模首次觀察到流體共振頻率的穩定環面


盡管已經證明,渦環的動力學由其外圍的大型結構主導,但控制它們出現的機制,還沒有得到很好的理解,這在很大程度上反映了在控制良好條件下產生穩定液體環面的實驗困難,正是在這種情況下,研究人員希望使流體環穩定。物理學家Hermann von Helmholtz首先對渦環進行了深入分析。


從那時起,幾位研究人員一直在廣泛研究它們的形成,動力學和碰撞。過去的研究發現,在實驗室環境中,通過將流體推出孔外,通過將固體盤撞擊到靜止的流體中,或者當液體滴落到另一種液體中時,可以在實驗室環境中產生短暫的渦流環。


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然而,在這些實驗中產生的液環很快就變得不穩定并分解成單獨的液滴。漩渦環,就像煙環一樣,在自然界中無處不在,但它們的動力學還沒有被很好地理解,部分原因是它們的瞬態性質。在研究中,能夠使用液態金屬穩定地產生一個流體環(或環面),這使科學家們能夠研究流體環面反應的頻率。為了形成一個不會隨著時間迅速消失的穩定流體環面,研究人員使用了水銀,一種不會濕潤與之接觸的表面液態金屬。研究人員在一個固體圓柱體的外圍注入汞,這形成了一個穩定的液體環。


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實心圓柱體防止了圓環內周緣的起伏,否則將沒有限制來最小化其表面。這項新技術使研究人員能夠對受到振動的流體圓環共振頻率進行第一次測量:液體環看到振蕩出現在其外周,這些波瓣形狀的圖案在某些所謂的共振頻率下被放大。觀察到的液體圓環外徑約為4厘米,其縱橫比大約是典型糖果甜甜圈的兩倍,創造的流體環位于垂直振動的平板上,其頻率和振幅分別低于65 Hz和0.5 mm。與這種振動相對應的加速度,低于地球重力加速度的一半。


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研究人員使用一種基于激光的光學測量方法來精確測量環面外周的水平振蕩。還能夠使用直接放置在液環上方的相機來實現對旋渦的直接可視化。使用這種精確的光學方法,隨著振動頻率的增加,能夠觀察到多達25個波瓣出現在環的外圍,并且能夠表征相應的不穩定區域。收集了觀察結果,研究人員試圖根據現有的物理理論來解釋它們。比較實驗結果,成功地將瑞利勛爵在1879年提出的通常液滴模型應用于流體環面,測量也能讓研究人員間接推斷圓環體的幾何屬性。


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研究人員收集的獨特測量結果,可能會對流體力學和物理研究的其他領域產生一些有趣影響。例如,該方法可以用來模擬在各個領域研究渦環中瞬時出現的大規模結構,包括等離子體物理、生物物理或地球物理。在不久的將來,該實驗很容易修改,以消除固體內部限制(被環形電位取代),并在液體環的兩極之間施加旋轉流(”極向渦度“),只需對液態金屬施加電磁力即可。這樣的配置應該能夠更精確地揭示自然界觀察到渦環中這些大規模瞬態結構的起源。


關于里昂大學


里昂大學 (Université de Lyon) 位于法國著名的歷史文化名城—里昂,是法國最悠久的綜合性大學之一,法國“卓越大學計劃”高校,歐洲頂尖大學聯盟—“科英布拉集團”成員高校。

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