拉羅什實驗室、巴黎迪德羅大學(xué)和里昂大學(xué)的一組科學(xué)家，收集了穩(wěn)定流體環(huán)面共振頻率的第一次測量結(jié)果，用來收集這些觀測的方法，在發(fā)表在《物理評論快報》上的研究論文中概述了可以對渦環(huán)中瞬時出現(xiàn)的各種大規(guī)模結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。

渦環(huán)是環(huán)狀漩渦，可以在各種設(shè)置下出現(xiàn)在液體和氣體中。在自然界中，有幾個這樣的渦環(huán)的例子，包括潛水員或海豚產(chǎn)生的水下氣泡環(huán)，煙環(huán)和人類心臟中的血環(huán)，進(jìn)行這項研究的研究人員之一埃里克·法爾肯(Eric Falcon)表示：

盡管已經(jīng)證明，渦環(huán)的動力學(xué)由其外圍的大型結(jié)構(gòu)主導(dǎo)，但控制它們出現(xiàn)的機(jī)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(chǎn)生穩(wěn)定液體環(huán)面的實驗困難，正是在這種情況下，研究人員希望使流體環(huán)穩(wěn)定。物理學(xué)家Hermann von Helmholtz首先對渦環(huán)進(jìn)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(xué)和碰撞。過去的研究發(fā)現(xiàn)，在實驗室環(huán)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(dāng)液體滴落到另一種液體中時，可以在實驗室環(huán)境中產(chǎn)生短暫的渦流環(huán)。

然而，在這些實驗中產(chǎn)生的液環(huán)很快就變得不穩(wěn)定并分解成單獨的液滴。漩渦環(huán)，就像煙環(huán)一樣，在自然界中無處不在，但它們的動力學(xué)還沒有被很好地理解，部分原因是它們的瞬態(tài)性質(zhì)。在研究中，能夠使用液態(tài)金屬穩(wěn)定地產(chǎn)生一個流體環(huán)(或環(huán)面)，這使科學(xué)家們能夠研究流體環(huán)面反應(yīng)的頻率。為了形成一個不會隨著時間迅速消失的穩(wěn)定流體環(huán)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(tài)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(wěn)定的液體環(huán)。

實心圓柱體防止了圓環(huán)內(nèi)周緣的起伏，否則將沒有限制來最小化其表面。這項新技術(shù)使研究人員能夠?qū)κ艿秸駝拥牧黧w圓環(huán)共振頻率進(jìn)行第一次測量：液體環(huán)看到振蕩出現(xiàn)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(huán)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(chuàng)造的流體環(huán)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(yīng)的加速度，低于地球重力加速度的一半。

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

研究人員收集的獨特測量結(jié)果，可能會對流體力學(xué)和物理研究的其他領(lǐng)域產(chǎn)生一些有趣影響。例如，該方法可以用來模擬在各個領(lǐng)域研究渦環(huán)中瞬時出現(xiàn)的大規(guī)模結(jié)構(gòu)，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(nèi)部限制(被環(huán)形電位取代)，并在液體環(huán)的兩極之間施加旋轉(zhuǎn)流(”極向渦度“)，只需對液態(tài)金屬施加電磁力即可。這樣的配置應(yīng)該能夠更精確地揭示自然界觀察到渦環(huán)中這些大規(guī)模瞬態(tài)結(jié)構(gòu)的起源。

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參考期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.094502

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