振动下的水银环外边缘图案的俯视图。随着振动频率的增大,瓣的数量也会增加(从左至右,从上至下)灰色的区域为中心的固体圆柱。液体环的直径为4厘米。 (图片来源:Laroche等)
来自拉罗什实验室(Laroche Laboratory),巴黎狄德罗大学(Université Paris Diderot)和里昂大学(Université de Lyon)的联合研究团队最近第一次测量出稳定的液体环面的共振频率。他们在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表的论文中概述了采集观测结果的方法,这种方法可以对涡环中短暂出现的大尺度结构进行建模。
涡环是一种圆环形状的漩涡,常见于液相和气相。自然界中有一些涡环的例子,包括潜水员或海豚在水下吐出的气泡环,烟圈和人体心脏中的血液湍流。
“尽管人们已经知道涡环的动力学特性是由其边缘的大尺度结构决定的,我们却不知晓决定涡环形状的机制,这使得即使严格控制实验条件,产生稳定的液体环也非常困难,”参与本次研究的一位研究者Eric Falcon告诉Phys.org。“因此,我们想使流体环变得稳定。”
19世纪德国的著名物理学家亥姆霍兹第一次深入分析了涡环,此后一些研究者们一直在广泛的研究它们的形成、动力学特性和碰撞。先前的研究发现了在实验室中可以产生短暂的涡环:将液体推出一个洞,或是让圆盘冲击静止的液体,抑或是使一滴液体滴入另一部分液体。然而,这些实验中产生的液体圆环很快就变得不稳定并溃散为液滴。
“涡环,比如说烟圈,在自然界中非常普遍,但是部分因为它们转瞬即逝的特点,人们并不是很了解它们的动力学特性,”Falcon说,“在我们的研究中,我们用液体金属产生了稳定的圆环,这使得我们可以研究流体环响应的频率。”
为产生不会很快消失的稳定流体涡环,Falcon和他的同事们使用了汞,这种液体金属不会浸润与它接触的表面。研究人员沿着一个固体圆柱的边缘注射水银,形成了一个稳定的液体圆环。这个圆柱体可以阻碍涡环内边缘的起伏运动,否则失去约束会使涡环表面最小化。
“这种新技术第一次使我们能够测量在振动下的涡环流体的共振频率:可以看到流体环的外边缘的振动,这些耳垂状的图案在某些所谓的共振频率下会被放大,”Falcon解释道。
他们测量的液体环的外径大约为4厘米,内外径之比大约为普通甜甜圈的两倍。他们制造的液体圆环被置于一个垂直振动的平板上,振动频率和振幅分别不大于65赫兹和0.5毫米。振动产生的加速度小于二分之一的地球重力加速度。
Falcon和他的同事利用了一种基于激光的光学测量方法来精确测量涡环的外边缘的水平振动。通过设置在液体环正上方的相机,他们也能够直接得到涡环的图像。
此次实验中,静止状态下环面体的内外径之比大约为普通面包圈的两倍。(图片来源:Laroche等)
“通过这种精确的光学测量方法,随着振动频率的增大,我们得以观察到液体环外边缘产生了多达25个瓣,也得以刻画相应的不稳定区域的特征,”Falcon说。
集中了观测结果后,研究人员立即着手尝试用现有的物理理论去解释这些现象。通过与实验结果对比,他们成功的将Rayleigh勋爵于1879年提出的液滴模型应用于液体环面体。测量结果也使他们可以间接推断环面体的几何特性。
Falcon和他的同事得到的独一无二的测量结果,在流体力学领域和其他物理学领域都可以产生令人关注的应用。例如,他们的研究方法可以模拟涡环中短时间出现的大尺度结构从而被用于多种领域中,包括等离子体物理学,生物物理学和地球物理学。
“在不久的将来,我们的实验很容易被修改,仅仅通过对液体金属施加一个电磁力,可以移除内部固体圆柱的约束(用圆面状的电势场代替),并在液体环的两极之间施加一个旋转流量(涡量),”Falcon说,“这样配置实验应该能够更加精确的揭示在大自然中观测到的涡环中的这些短暂的大尺度结构的起源。”
作者:Ingrid Fadelli
翻译:朱奕宁
审校:罗广桢