Un anillo de burbujas , o burbuja toroidal , es un anillo de vórtice submarino donde una burbuja de aire ocupa el núcleo del vórtice, formando una forma de anillo. El anillo de aire, así como el agua cercana, gira poloidalmente a medida que viaja a través del agua, al igual que una pulsera flexible podría girar cuando se coloca en el brazo de una persona. Cuanto más rápido gira el anillo de burbujas, más estable se vuelve. [1] Los anillos de burbujas y los anillos de humo son ejemplos de anillos de vórtice , cuya física aún se está estudiando activamente en la dinámica de fluidos . [2] [3] Se han inventado dispositivos que generan anillos de vórtice de burbujas. [4][5]
Física
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A medida que el anillo de la burbuja se eleva, una fuerza de elevación que apunta hacia abajo y que es generada por la vorticidad actúa sobre la burbuja para contrarrestar la fuerza de flotabilidad. Esto reduce la velocidad de la burbuja y aumenta su diámetro. El anillo se vuelve más delgado, a pesar de que el volumen total dentro de la burbuja aumenta a medida que disminuye la presión del agua externa. [6] Los anillos de burbujas se fragmentan en anillos de burbujas esféricas cuando el anillo se vuelve más delgado que unos pocos milímetros. Esto se debe a la inestabilidad de Plateau-Rayleigh . Cuando la burbuja alcanza un cierto grosor, los efectos de tensión superficial distorsionan la superficie de la burbuja y la separan en burbujas separadas. La circulación del líquido alrededor de la burbuja ayuda a estabilizar la burbuja durante más tiempo, contrarrestando los efectos de la inestabilidad de Plateau-Rayleigh. A continuación se muestra la ecuación para la inestabilidad de Plateau-Rayleigh con la circulación como término estabilizador:
dónde es la tasa de crecimiento, es el número de onda, es el radio del cilindro de burbujas, es la tensión superficial, es la circulación, y es la función de Bessel modificada del segundo tipo de orden. Cuándo es positivo, la burbuja es estable debido a la circulación y cuando es negativo, los efectos de la tensión superficial lo desestabilizan y rompen. [7] La circulación también tiene un efecto sobre la velocidad y la expansión radial de la burbuja. La circulación aumenta la velocidad al tiempo que reduce la tasa de expansión radial. Sin embargo, la expansión radial es lo que difunde la energía al estirar el vórtice. [8] La inestabilidad ocurre más rápidamente en aguas turbulentas, pero en aguas tranquilas, los buzos pueden alcanzar un diámetro externo de un metro o más antes de que la burbuja se fragmente.
Burbujas toroidales inducidas por flotabilidad
A medida que se eleva una burbuja de aire, hay una diferencia de presión entre la parte superior e inferior de la burbuja. La presión más alta en la parte inferior de la burbuja empuja la superficie inferior de la burbuja hacia arriba más rápido de lo que se eleva la superficie superior. Esto crea un chorro de líquido que se mueve hacia arriba a través del centro de la burbuja. Si el chorro de fluido tiene suficiente energía, perforará la parte superior de la burbuja y creará un anillo de burbujas. Debido al movimiento del fluido que se mueve a través del centro de la burbuja, la burbuja comienza a girar. Esta rotación mueve el fluido alrededor de la burbuja creando un vórtice toroidal. Si la tensión superficial de la interfaz del fluido o la viscosidad del líquido es demasiado alta, entonces el chorro de líquido será más amplio y no penetrará en la parte superior de la burbuja. Esto da como resultado una burbuja de casquete esférico. [9] Las burbujas de aire con un diámetro superior a unos dos centímetros adquieren forma toroidal debido a las diferencias de presión. [10]
Burbujas de cavitación
Las burbujas de cavitación , cuando están cerca de una superficie sólida, también pueden convertirse en un toro. El área alejada de la superficie tiene una presión estática aumentada que provoca el desarrollo de un chorro de alta presión. Este chorro se dirige hacia la superficie sólida y atraviesa la burbuja para formar una burbuja en forma de toro durante un corto período de tiempo. Esto genera múltiples ondas de choque que pueden dañar la superficie. [11]
Un anillo de burbujas forma un anillo de vórtice , con forma de rosquilla que gira poloidalmente en la dirección de las flechas.
El anillo de burbujas viaja en la misma dirección en que gira su lado más interno
Un buzo sopla un anillo de burbujas
Cetáceos
Los cetáceos , como las ballenas beluga , los delfines y las ballenas jorobadas , hacen aros de burbujas. Los delfines a veces se involucran en comportamientos de juego complejos, creando anillos de burbujas a propósito, aparentemente para divertirse. [12] Hay dos métodos principales de producción de anillos de burbujas: soplar rápidamente una ráfaga de aire en el agua y permitir que suba a la superficie, formando un anillo; o creando un vórtice toroidal con sus aletas e inyectando una burbuja en las corrientes de vórtice helicoidal así formadas. El delfín a menudo examinará su creación visualmente y con un sonar. A veces jugarán con las burbujas, distorsionando los anillos de burbujas, rompiendo anillos de burbujas más pequeños del original o dividiendo el anillo original en dos anillos separados usando su pico. También parecen disfrutar mordiendo los anillos de vórtice que han creado, de modo que estallan en muchas burbujas normales separadas y luego ascienden rápidamente a la superficie. Los delfines también tienen la capacidad de formar anillos de burbujas con sus aletas utilizando la reserva de aire en la superficie. [13]
Ballenas beluga soplando anillos de burbujas
Vista aérea de una red de burbujas jorobada
Las ballenas jorobadas usan otro tipo de anillo de burbujas cuando buscan peces. Rodean una escuela de peces de forraje con una circular red de burbujas y conducirlos en una bola de cebo . [14]
Buceadores humanos
Algunos buzos y apneístas pueden crear anillos de burbujas soplando aire de su boca de una manera particular. Los anillos de burbujas largos también pueden formarse espontáneamente en aguas turbulentas como las olas fuertes.
Otros usos del término
El término "anillo de burbujas" también se utiliza en otros contextos. Un juguete común para niños para hacer pompas de jabón se llama anillo de burbujas y reemplaza al juguete de pipa de burbujas que se usó tradicionalmente durante muchos años porque la pipa de burbujas puede percibirse como una reminiscencia demasiado del tabaco y, por lo tanto, un mal ejemplo para los niños. Las espumas de jabón se suspenden en un anillo conectado por un vástago al tapón de rosca de una botella que contiene espumas de jabón. [15]
Ver también
- Alimentación en carrusel
- Anillo de humo
- Juguete de anillo de vórtice
Referencias
- ^ Yoona, SS; Heister, SD (2004). "Un modelo de atomización no lineal basado en un mecanismo de inestabilidad de la capa límite" (PDF) . Física de fluidos . 16 (1): 47–61. Código Bibliográfico : 2004PhFl ... 16 ... 47Y . doi : 10.1063 / 1.1629301 . Archivado desde el original (PDF) el 22 de julio de 2011 . Consultado el 23 de mayo de 2010 .
- ^ Ruban, vicepresidente; Rasmussen, JJ (2003). "Burbujas toroidales con circulación en hidrodinámica ideal: un enfoque variacional". Phys. Rev . 68 (5): 5. arXiv : física / 0306029 . Código Bibliográfico : 2003PhRvE..68e6301R . doi : 10.1103 / PhysRevE.68.056301 . PMID 14682878 .
- ^ Wang, QX; Yeo, KS; Khoo, BC; Lam, KY (2005). "Modelado de anillos VORTEX de burbujas toroidales" (PDF) . Revista Dinámica de fluidos teórica y computacional . 19 (5): 1432-2250. Código bibliográfico : 2005ThCFD..19..303W . doi : 10.1007 / s00162-005-0164-6 .
- ^ Patente de Estados Unidos: método simple para la producción controlada de burbujas de anillo VORTEX de un gas Patente emitida: 6824125, 30 de noviembre de 2004.
- ^ Patente de Estados Unidos: Dispositivo simple, sin mecanismo y método para producir burbujas de anillo VORTEX en líquidos Número de patente: 7300040. 27 de noviembre de 2007.
- ^ Cheng, M .; J. Lou; TT Lim (2013). "Movimiento de un anillo de burbujas en un fluido viscoso" (PDF) . Física de fluidos . 25 (6): 067104–067104–19. Código Bibliográfico : 2013PhFl ... 25f7104C . doi : 10.1063 / 1.4811407 . Consultado el 15 de octubre de 2013 .
- ^ Lundgren, TS; Mansour, NN (1991). "Burbujas anulares VORTEX" . Revista de Mecánica de Fluidos . 224 : 177-196. Código Bibliográfico : 1991JFM ... 224..177L . doi : 10.1017 / s0022112091001702 .
- ^ Cheng, M .; J. Lou; TT Lim (2013). "Movimiento de un anillo de burbujas en un fluido viscoso" (PDF) . Física de fluidos . 25 (6): 067104–067104–19. Código Bibliográfico : 2013PhFl ... 25f7104C . doi : 10.1063 / 1.4811407 . Consultado el 15 de octubre de 2013 .
- ^ Chen, Li; Suresh V. Garimella; John A. Reizes; Eddie Leonardi (1999). "El desarrollo de una burbuja que se eleva en un líquido viscoso". Revista de Mecánica de Fluidos . 387 (1): 61–96. Código Bibliográfico : 1999JFM ... 387 ... 61C . doi : 10.1017 / s0022112099004449 .
- ^ Ken Marten; Karim Shariff; Suchi Psarakos; Don J. White (1996). "Anillo Burbujas de Delfines" . Scientific American . 275 (2): 82. Código Bibliográfico : 1996SciAm.275b..82M . doi : 10.1038 / scientificamerican0896-82 . PMID 8693325 . Archivado desde el original el 18 de diciembre de 2019 . Consultado el 2 de agosto de 2010 ..
- ^ Brujan, EA; GS Keen; A. Vogel; JR Blake (enero de 2002). "La etapa final del colapso de una burbuja de cavitación cerca de un límite rígido" (PDF) . Física de fluidos . 14 (1): 85. Bibcode : 2002PhFl ... 14 ... 85B . doi : 10.1063 / 1.1421102 . Archivado desde el original (PDF) el 29 de abril de 2016 . Consultado el 21 de octubre de 2013 .
- ^ "La física de los anillos de burbujas y los escapes de otros buzos" . Archivado desde el original el 6 de octubre de 2006 . Consultado el 24 de octubre de 2006 .
- ^ "Anillos de burbujas: vídeos e imágenes fijas" . Archivado desde el original el 11 de octubre de 2006 . Consultado el 24 de octubre de 2006 .
- ^ Acklin, Deb (5 de agosto de 2005). "Crittercam revela secretos del mundo marino" . Noticias de National Geographic . Consultado el 2007-11-01 .
- ^ Erhard G (2006) Diseñar con plásticos Página 227. Hanser Verlag. ISBN 978-1-56990-386-5
Otras referencias
- Das, D. y Kumar, V. (2005) "Investigación experimental de la trayectoria de los anillos de vórtice compresibles", XI Conferencia Aeroacústica AIAA / CEAS, página 2953. doi : 10.2514 / 6.2005-2953 .
- Hameroff SR, Kaszniak AW y Scott A (1998) Hacia una ciencia de la conciencia II: las segundas discusiones y debates de Tucson Página 558. MIT Press. ISBN 978-0-262-08262-4 .
- Lundgren, TS; Mansour, NN (1991). "Burbujas de anillo de vórtice" . Revista de Mecánica de Fluidos . 224 : 177-196. Código Bibliográfico : 1991JFM ... 224..177L . doi : 10.1017 / s0022112091001702 .
- Marten, K; Shariff, K; Psarakos, S; Blanco, DJ (1996). "Anillo de burbujas de delfines. Varios delfines mulares en Hawai pueden crear anillos brillantes y estables y hélices de aire como parte del juego". Scientific American . 275 (2): 82–87. Código Bibliográfico : 1996SciAm.275b..82M . doi : 10.1038 / scientificamerican0896-82 . PMID 8693325 .
- McCowan, B; Marino, L; Vance, E; Walke, L; Reiss, D (2000). "Juego de anillo de burbujas de delfines mulares (Tursiops truncatus): implicaciones para la cognición" (PDF) . Revista de Psicología Comparada . 114 (1): 98–106. doi : 10.1037 / 0735-7036.114.1.98 . PMID 10739315 . Consultado el 23 de mayo de 2010 .
enlaces externos
- Anillos de burbujas de delfines
- Anillos de burbujas de delfines (video)
- Delfines hacen y juegan anillos de burbujas (video)
- Varios videos de anillos de burbujas
- BubbleRings.com