Anillo de burbujas

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 figura anular. El anillo de aire, así como el agua circundante, giran poloidalmente a medida que se desplazan por el agua, de forma similar a como gira una pulsera flexible al enrollarse en el brazo de una persona. Cuanto más rápido gira el anillo de burbujas, más estable se vuelve. ^{[ 1 ]} La física de los anillos de vórtice aún se estudia activamente en la dinámica de fluidos . ^{[ 2 ] [ 3 ]} Se han inventado dispositivos que generan anillos de vórtice de burbujas. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

A medida que el anillo de burbujas asciende, una fuerza de sustentación dirigida hacia abajo, generada por la vorticidad, actúa sobre la burbuja para contrarrestar la fuerza de flotación. 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 externa del agua. ^{[ 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 cierto espesor, los efectos de la tensión superficial distorsionan la superficie de la burbuja, separándola en burbujas individuales. La circulación del fluido alrededor de la burbuja ayuda a estabilizarla 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:

${\displaystyle \omega ^{2}=\left({\frac {-ka\,K_{1}(ka)}{K_{0}(ka)}}\right)\left[(1-k^{2}a^{2}){\frac {T}{pa^{3}}}-{\frac {\Gamma ^{2}}{4\pi ^{2}a^{4}}}\right]}$

dónde${\displaystyle \omega }$es la tasa de crecimiento,${\displaystyle k}$es el número de onda,${\displaystyle a}$es el radio del cilindro de la burbuja,${\displaystyle T}$es la tensión superficial,${\displaystyle \Gamma }$es la circulación, y${\displaystyle K_{n}(x)}$es la función de Bessel modificada de segundo tipo de orden${\displaystyle n}$. Cuando${\displaystyle \omega }$es positivo, la burbuja es estable debido a la circulación y cuando${\displaystyle \omega }$es negativo, los efectos de la tensión superficial lo desestabilizan y lo rompen. ^{[ 7 ]} La circulación también tiene un efecto sobre la velocidad y la expansión radial de la burbuja. La circulación aumenta la velocidad mientras 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 agua turbulenta, pero en agua tranquila, los buceadores pueden lograr un diámetro externo de un metro o más antes de que la burbuja se fragmente.

Los cetáceos , como las ballenas beluga , los delfines y las ballenas jorobadas , soplan anillos de burbujas. Los delfines a veces realizan comportamientos lúdicos complejos, creando anillos de burbujas a propósito, aparentemente por diversión. ^{[ 12 ]} Existen dos métodos principales para la producción de anillos de burbujas: soplar rápidamente una ráfaga de aire en el agua y dejar que ascienda a la superficie, formando un anillo; o crear un vórtice toroidal con sus aletas caudales e inyectar una burbuja en las corrientes helicoidales del vórtice así formado. El delfín suele examinar su creación visualmente y con sonar. A veces juegan con las burbujas, deformando los anillos, rompiendo anillos más pequeños del original o dividiendo el anillo original en dos anillos separados con su hocico. 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 caudales utilizando el depósito de aire en la superficie. ^{[ 13 ]}

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  Ballenas beluga soplando anillos de burbujas en el acuario de Shimane.
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  Vista aérea de una red de burbujas para ballenas jorobadas

Las ballenas jorobadas utilizan otro tipo de anillo de burbujas cuando buscan peces. Rodean un banco de peces con una red circular de burbujas y los acorralan formando una bola de cebo . ^{[ 14 ]}

Algunos nadadores , buceadores y apneístas pueden crear anillos de burbujas expulsando aire por la boca de una manera particular. También pueden formarse espontáneamente largos anillos de burbujas en aguas turbulentas, como en el oleaje fuerte.

El término «anillo de burbujas» también se usa en otros contextos. Un juguete común para niños que consiste en soplar burbujas de jabón se llama anillo de burbujas y reemplaza al tubo de burbujas que se usó tradicionalmente durante muchos años porque este último puede percibirse como demasiado parecido al acto de fumar y, por lo tanto, un mal ejemplo para los niños. La espuma de jabón se suspende en un anillo conectado por un vástago a la tapa de rosca de una botella que contiene espuma de jabón. ^{[ 15 ]}

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• Anillo de juguete Vórtice

• Das, D. y Kumar, V. (2005) "Investigación experimental de la trayectoria de anillos de vórtice compresibles", 11.ª Conferencia de 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" . Journal of Fluid Mechanics . 224 : 177–196 . Bibcode : 1991JFM...224..177L . doi : 10.1017/s0022112091001702 . S2CID 120629247 . 
• Marten, K; Shariff, K; Psarakos, S; White, DJ (1996). "Burbujas en forma de anillo de delfines. Varios delfines nariz de botella en Hawái pueden crear anillos y hélices de aire brillantes y estables como parte de su juego". Scientific American . 275 (2): 82– 87. Bibcode : 1996SciAm.275b..82M . doi : 10.1038/scientificamerican0896-82 . PMID 8693325 . 
• McCowan, B; Marino, L; Vance, E; Walke, L; Reiss, D (2000). "Juego de anillos de burbujas de delfines nariz de botella (Tursiops truncatus): Implicaciones para la cognición" (PDF) . Journal of Comparative Psychology . 114 (1): 98– 106. doi : 10.1037/0735-7036.114.1.98 . PMID 10739315. Archivado del original (PDF) el 10 de junio de 2010. Recuperado el 23 de mayo de 2010 . 

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