فقاعة حلقية

حلقة الفقاعة أو الفقاعة الحلقية هي دوامة حلقية تتكون تحت الماء، عندما تدخل فقاعات الهواء إلى داخل الدوامة مكونة شكلاً حلقياً. تدور حلقة الهواء والماء المحيط بها في مسار دوامي، بينما تتحرك في الماء. يكون الدوران شبيه جداً بدوران سوار يد مرن عند إرتدائه في الذراع.

Bubble ring

تكون الحلقة الفقاعية أكثر استقراراً كلما دارت بسرعة أكبر. تُعتبر الحلقات الفقاعية وحلقات الدخان أمثلة للحلقاتت الدوامية، والتي مازالت تُدرس فيزيائياً في علم ديناميكا الموائع.

اختُرعت أجهزة لتوليد حلقات فقاعية دوامية.

التفسير الفيزيائي

ملف خارجي

تولد الدوامة قوة لأسفل تؤثر على الفقاعة الهوائية بينما ترتفع لأعلى بفعل قوة الطفو. تؤدي هذه القوة المعاكسة لقوة الطفو إلى تقليل سرعة الفقاعة، وزيادة قُطرها. تُصبح الحلقة أقل سُمكاً، بالرغم من زيادة حجمها الداخلي الكلي كلما قل ضغط الماء حولها.

تنقسم الفقاعات الحلقية إلى فقاعات كروية عندما يقل سُمك الحلقة عن بعض المليمترات القليلة. يحدث هذا بسبب ظاهرة عدم إستقرار رايلي. عندما تصل الفقاعة إلى سُمك معين، تقوم تأثيرات التوتر السطحي بشد الفقاعة وتقسيمها إلى فقاعات منفصلة. يساعد دوران المياه حول الفقاعة على إستقرارها لفترة زمنية أكبر، ومقاومة تأثيرات عدم إستقرار رايلي. تعبر المعادلة التالية عن ظاهرة عدم إستقرار رايلي، ويعبر أحد عناصرها عن دوران المياه.

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

عندما تكون ω موجبة تكون الفقاعة مستقرة بسبب دوران المائع حولها، وعندما تكون ω سالبة يؤثر التوتر السطحي على استقرار الفقاعة ويُقسمها. يؤثر دوران المائع أيضاً على سرعة الفقاعة وتمددها القُطري، فيزيد سرعتها بينما يُخفض معدل تمددها القُطري. ومع ذلك، فإن التمدد القطري هو ما ينشر الطاقة بتمدد الدوامة. 

يحدث عدم الاستقرار بشكل أسرع في المياه المضطربة، بينما في المياه الهادئة يستطيع الغواصون عمل فقاعة قطرها الخارجي متر أو أكثر قبل أن تنقسم إلى فقاعات صغيرة.

الطفو الناتج عن الفقاعات الحلقية

يتكون فرق في الضغط بين أعلى وأسفل الفقاعة، بينما تطفو لأعلى. يكون الضغط أسفل الفقاعة أكبر من الضغط أعلاها، ولذلك ينجذب سطحها السفلي لأسفل أسرع مما يرتفع سطحها العلوي لأعلى. ينتج عن ذلك تياراً نفاثاُ من المائع يتحرك لأعلى من مركز الفقاعة، وإذا كان هذا التيار يملك الطاقة الكافية، فإنه سيخترق السطح العلوي للفقاعة، ويخلق فقاعة حلقية. تبدأ الحلقة بالدوران بسبب تحرك الماء خلال مركز الفقاعة. يؤدي هذا الدوران إلى تحريك المائع حول الفقاعة، صانعاً دوامة حلقية.

إذا كان التوتر السطحي للسطح الفاصل للمائع مرتفع جداً، أو كانت لزوجة المائع مرتفعة جداً، فسيصبح التدفق النفاث أكثر عرضاً ولن يخترق السطح العلوي للفقاعة. ينتج عن هذا فقاعة ذات قبعة كروية.

تصبح الفقاعات الهوائية التي يكون قطرها أكبر من 2 سم تقريباً، فقاعات حلقية بسبب فرق الضغط.

فقاعات التكهف

يُمكن أن تُصبح فقاعات التكهف القريبة من سطح صلب، حلقية الشكل أيضاً. يزداد الضغط الساكن بعيداً عن سطح الفقاعة مسبباً تكون تدفق نفاث ضغطه مرتفع. يُوجه هذا التدفق النفاث نحو السطح الصلب، مخترقاً الفقاعة ليكون فقاعة حلقية لفترة زمنية قصيرة. ينتج عن ذلك موجات صدمة متعددة، قد تلحق الضرر بالسطح.

• 
  A bubble ring forms a vortex ring, shaped like a doughnut which spins poloidally in the direction of the arrows
• 
  The bubble ring travels in the same direction its innermost side rotates
• 
  A underwater diver blows a bubble ring

الحيتانيات

تقوم الحيتانيات، مثل الحيتان البيضاء، والدلافين، والحيتان الحدباء، بنفخ فقاعات حلقية من أفواهها. تقوم الدلافين أحياناً بسلوكيات لعب معقدة، تصنع خلالها فقاعات حلقية عن قصد، بغرض التسلية.

تصنع الحيتانيات الفقاعات الحلقية بطريقتين: الأولى عن طريق نفخ الهواء في الماء وتركه يصعد إلى السطح مكوناً حلقة، والثانية بصنع دوامة حلقية بأذيالها وحقن فقاعة داخل تيارات الدوامة الحلزونية، وهكذا تتكون الفقاعة الحلقية. تقوم الدلافين عادة  بفحص الفقاعات الحلقية التي كونتها، بصرياً وبواسطة موجاتها الصوتية. كما تقوم أحياناً أيضاً باللعب بالفقاعات الحلقية، بتغيير شكلها، أو تكسيرها لفقاعات حلقية أصغر مستخدمة منقارها.

يبدو أيضاً أن الدلافين تستمتع بعَضّ الفقاعات الحلقية التي كونتها، فتقسمها إلى فقاعات متعددة منفصلة وتتركها ترتفع سريعاً إلى السطح. تمتلك الدلافين أيضاً القدرة على تكوين فقاعات حلقية بذيولها باستخدام الهواء الجوي فوق سطح المياه.

• 
  Beluga whales blowing bubble rings
• 
  Aerial view of a humpback bubble net

تستخدم الحيتان الحدباء نوعاً أخر من الفقاعة الحلقية عندما تصطاد أسماك العلف. تحيط الحيتان سرباً من أسماك العلف بشبكة فقاعية، فتتجمع الأسماك في شكل كروي للدفاع عن نفسها دون أن تدرك أن الحيتان استخدمت دفاعها ضدها، ويُسمى ذلك التجمع بكُرة الطعم.

الغواصون

ينفخ طفل فقاعات الصابون من حلقة.

يستطيع بعض الممارسين للغوص بالمعدات والغوص الحر، صُنع فقاعات حلقية بنفخ الهواء من أفواههم بطريقة معينة. قد تتكون الفقاعات الحلقية الطويلة أيضاً بشكل طبيعي في المياه المضطربة، مثل الأمواج المتكسرة.

استخدامات أخرى

يُستخدم مصطلح "حلقة الفقاعة" أيضاً في سياقات أخرى. يوجد لعبة أطفال شائعة لنفخ فقاعات الصابون، تُسمى حلقة الفقاعة. تأتي هذه اللعبة بدلاً للعبة أنبوب الفقاعة التي كانت شائعة الاستخدام لسنوات عديدة، بسبب أن أنبوب الفقاعة قد يذكر بالتدخين، مما يعد مثالاً سيئاً جداً للأطفال. 

تكون رغوة الصابون في هذه اللعبة، عالقة في حلقة متصلة بواسطة عصاة رفيعة متصلة بغطاء الزجاجة الحاوية للرغوة.

• 
  

مزيد من القراءة

• Das1 D and Kumar V (2005) "Experimental Investigation of the Trajectory of Compressible Vortex Rings" 11th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference (26th AIAA Aeroacoustics Conference).
• Hameroff SR, Kaszniak AW and Scott A (1998) Toward a science of consciousness II: the second Tucson discussions and debates Page 558. MIT Press. ISBN 978-0-262-08262-4.
• Lundgren، TS؛ Mansour، NN (1991). "Vortex ring bubbles". Journal of Fluid Mechanics. ج. 224: 177–196. Bibcode:1991JFM...224..177L. DOI:10.1017/s0022112091001702.
• Marten، K؛ Shariff، K؛ Psarakos، S؛ White، DJ (1996). "Ring bubbles of dolphins. A number of bottlenose dolphins in Hawaii can create shimmering, stable rings and helices of air as part of play". Scientific American. ج. 275 ع. 2: 82–87.
• McCowan، B؛ Marino، L؛ Vance، E؛ Walke، L؛ Reiss، D (2000). "Bubble Ring Play of Bottlenose Dolphins (Tursiops truncatus): Implications for Cognition" (PDF). Journal of Comparative Psychology. ج. 114 ع. 1: 98–106. DOI:10.1037/0735-7036.114.1.98.