Учёные раскрыли тайну «отскока» водяных колец

Вихревое кольцо воды отражается от границы раздела вода-воздух. Автор: Джон Чжуанг Су и др., NYU Shanghai

Кольца воздуха, создаваемые дельфинами под водой, и дымовые кольца реактивных двигателей — это примеры вихревых колец. Эти структуры в форме пончика и их завораживающее движение изучаются десятилетиями из-за их роли в движении, включая биологическую локомоцию медуз и других беспозвоночных.

Команда исследователей из Нью-Йоркского университета и NYU Shanghai обнаружила удивительное свойство вихревых колец, которое оставалось незамеченным более века. Оно объясняет, как эти кольца ведут себя при движении через воду и достижении границы с воздухом.

«С тех пор, как Герман фон Гельмгольц впервые математически проанализировал вихревые кольца в середине XIX века, учёные пытались разгадать тайны их свойств», — говорит профессор математики и физики Нью-Йоркского университета и NYU Shanghai Джун Чжан.

Когда вихревое кольцо, движущееся вбок и вверх через воду, достигает поверхности и встречается с воздухом, оно может отскочить, сохраняя свою форму — подобно теннисному мячу, отскакивающему от стены. После отражения кольцо теряет лишь небольшую часть энергии. Однако если кольцо движется более вертикально вверх, оно разрушается вместо отскока.

Это открытие помогает лучше понять возможности и ограничения вихревых колец в подводном движении, включая локомоцию морских животных, а также объясняет океанографические явления, такие как подводные извержения вулканов и тепловые потоки.

Для изучения поведения вихревых колец на границе вода-воздух учёные провели серию экспериментов и численных симуляций. Они создавали кольца с помощью небольшого поршня, погружённого в резервуар с водой, варьируя скорость и угол выпуска для формирования колец разной силы и траектории. Движение колец фиксировалось флуоресцентным красителем и высокоскоростной камерой.

В результате было выявлено четыре типа поведения колец при достижении границы: рассеивание, отскок с сохранением формы, разрушение и пересечение границы с превращением в водяную струю.

Подробнее: Zhuang Su et al, Reflection of vortex rings at a water-air interface, Physical Review Fluids (2025). DOI: 10.1103/dg4m-hbts

Источник: New York University