Vista superior do padrão observado na periferia externa de um anel de mercúrio sujeito a vibrações. O número de lóbulos aumenta com a frequência da vibração (respectivamente da esquerda para a direita, de cima para baixo). A área cinza corresponde ao cilindro sólido central. Diâmetro do toro ~ 4 cm. Crédito:Laroche et al.
Uma equipe de pesquisadores do Laboratório Laroche, A Université Paris Diderot e a Université de Lyon coletaram recentemente as primeiras medições das frequências de ressonância de um toro estável de fluido. O método que eles usaram para coletar essas observações, descrito em um artigo publicado em Cartas de revisão física , poderia permitir a modelagem de uma variedade de estruturas de grande escala que surgem transitoriamente em anéis de vórtice.
Os anéis de vórtice são vórtices em forma de toro que podem aparecer em líquidos e gases em uma variedade de configurações. Na natureza, existem vários exemplos desses anéis de vórtice, incluindo anéis de bolha subaquáticos produzidos por mergulhadores ou golfinhos, anéis de fumaça, e anéis de sangue no coração humano.
"Embora tenha sido demonstrado que a dinâmica de um anel de vórtice é dominada por estruturas de grande escala em sua periferia, os mecanismos que governam sua aparência não são bem compreendidos, refletindo em grande medida as dificuldades experimentais em gerar um toro líquido estável sob condições bem controladas, "Eric Falcon, um dos pesquisadores que realizou o estudo recente, disse a Phys.org. "É neste contexto que queríamos tornar um anel de fluido estável."
Os anéis de vórtice foram analisados em profundidade pelo físico Hermann von Helmholtz. Desde então, vários pesquisadores têm estudado extensivamente sua formação, dinâmica e colisões.
Estudos anteriores descobriram que é possível gerar anéis de vórtice efêmeros em um ambiente de laboratório, empurrando um fluido para fora de um buraco, impactando um disco sólido em um fluido em repouso, ou quando uma gota de líquido cai em outro líquido. Contudo, o anel líquido que surge durante esses experimentos rapidamente se torna instável e se decompõe em gotas individuais.
"Anéis de vórtice, como anéis de fumaça, são onipresentes na natureza, mas sua dinâmica ainda não é bem compreendida, em parte devido à sua natureza transitória, "Falcon disse." Em nosso estudo, fomos capazes de gerar de forma estável um anel (ou toro) de fluido usando um metal líquido, o que nos permitiu estudar as frequências nas quais o toro do fluido reage. "
Para formar um toro fluido estável que não desapareceria rapidamente com o tempo, Falcon e seus colegas usaram mercúrio, um metal líquido que não molha as superfícies com as quais entra em contato. Os pesquisadores injetaram mercúrio na periferia de um cilindro sólido e este formou um anel estável de líquido. O cilindro sólido evitava ondulações da periferia interna do toro que, de outra forma, não teriam confinamento para minimizar sua superfície.
“Esta nova técnica permitiu-nos realizar as primeiras medições das frequências de ressonância de um toro de fluido sujeito a vibrações:O anel líquido vê as oscilações aparecerem na sua periferia exterior, esses padrões em forma de lóbulo sendo amplificados em certas frequências de ressonância, "Falcon explicou.
O diâmetro externo do toro líquido que eles observaram era de cerca de 4 cm e sua proporção de aspecto era aproximadamente o dobro de um donut de confeitaria típico. O anel de fluido que eles criaram repousava sobre uma placa que vibra verticalmente, com frequência e amplitude abaixo de 65 Hz e 0,5 mm, respectivamente. A aceleração correspondente a esta vibração é inferior à metade da aceleração da gravidade da Terra.
Falcon e seus colegas usaram um método de medição óptica baseado em laser para medir com precisão as oscilações horizontais na periferia externa do toro. Eles também foram capazes de obter uma visualização direta do vórtice usando uma câmera colocada diretamente acima do anel líquido.
Razão de aspecto do toro fluido em repouso estudado no experimento, cerca de duas vezes o de uma confeitaria de donut típica. Crédito:Laroche et al.
"Usando este método óptico preciso, fomos capazes de observar até 25 lóbulos ocorrendo na periferia do anel conforme a frequência de vibração aumenta e fomos capazes de caracterizar as zonas de instabilidade correspondentes, "Falcon disse.
Depois de coletar suas observações, os pesquisadores tentaram interpretá-los com base nas teorias da física existentes. Comparando seus resultados experimentais, eles adaptaram com sucesso o modelo de gota usual proposto por Lord Rayleigh em 1879 para um toro de fluido. Suas medições também permitiram inferir indiretamente as propriedades geométricas do toro.
As medições exclusivas coletadas por Falcon e seus colegas podem ter várias implicações interessantes, tanto para mecânica dos fluidos quanto para outras áreas de pesquisa em física. Por exemplo, sua abordagem poderia ser usada para modelar estruturas em grande escala que aparecem transitoriamente em anéis de vórtice estudados em vários campos, incluindo a física do plasma, biofísica ou geofísica.
"No futuro próximo, nosso experimento é facilmente modificável para remover o confinamento interno sólido (substituído por um potencial toroidal) e impor ao fluido um fluxo rotacional entre os pólos do anel líquido ("vorticidade poloidal"), simplesmente aplicando uma força eletromagnética ao metal líquido, "Falcon disse." Essa configuração deve ser capaz de revelar mais precisamente a origem dessas estruturas transitórias em grande escala em anéis de vórtice observados na natureza. "
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