Основополагающая гипотеза механизма образования вихревых колец в воде.
В качестве допущения использовано образование воздушных вихревых колец.
(См. Опыты и статью Роберта Вильямса Вуда)
Как и в опытах Вуда роль упругой мембраны в случае воды играет плёнка поверхностного натяжения. Удар капли по ней вызывает образование вихревого кольца в воде. Плёнка при этом, выполнив своб миссию упругой мембраны, разрушается. Но через короткое время восстанавливается.
Некоторые опытные данные, приводимые ниже, представляются нам, как подтверждающие эту гипотезу.
Однако, если кто-либо из читателей может найти в литературе другое, более убедительное объяснение, или придумает сам более удачное допущение, автор будет лишь признателен.
Факторы, влияющие на образования вихревых колец в воде.. Экспериментальные данные:
Масса капли - играет роль
Высота падения - играет роль
Форма капли при её ударе о поверхность воды. По всей видимости, форма капли изменяется при падении и это существенно влияет на возможность возникновения вихревого кольца в воде. Когда капля имеет форму выгнутого вверх диска (форма парашюта), она захватывает некоторое количество воздуха, и эта воздушная подушка смягчает удар капли о поверхность воды - кольцо при этом не образуется.
Величина поверхностного натяжения (двойной фактор: определяет "упругость" мембраны - плёнки поверхностного натяжения в сосуде с водой и размер падающих капель. Чем оно больше, тем массивнее капля и тем больше упругость "мембраны")
Химический состав воды в сосуде - не изучен. Но одно известно: малейшее присутствие веществ, поверхностно активных, снижающих поверхностное натяжение, радикально влияет на процесс возникновения колец. Вихревые кольца не возникают!
Температура - не замечено действие в пределах от 22 до 28 градусов
Атмосферное давление - не замечено действие
Влажность воздуха - не замечено действие (При изменении относительной влажности воздуха от 25 до 60 процентов никакой корреляции замечено не было)
Вязкость воды - не определялась
Вязкость воздуха - не определялась.
Наличие течений (конвективных или иных) в сосуде - не оказывало влияние на процесс образования вихревых колец.
Почему струя воды не создаёт вихревые кольца в воде?
Струя разрушает и держит "открытой" поверхность воды, без плёнки поверхностного натяжения. По крайней мере в физической близости к месту падения струи в воду. А ведь именно плёнка натяжения играет роль упругой мембраны, удары по которой и служат образующим механизмом вихревых колец.
Характерным признаком образования воздушной подушки в нижней части капли является звук, издаваемый при падении капли на водную поверхность. Ни одна, капля "звучно" ударившаяся о воду, колец не вызвала.
"Молчаливые" капли иногда создавали, а иногда не создавали кольца.
Форма падающих капель влияет на направление движения кольца в воде..
Часто вихревое кольцо движется от места рождения не вертикально вниз, а несколько вбок. Это и наводит на мысль, что капля иногда имеет форму диска-или "крыла", падающего в наклонном положениии и поворачивающегося при падении.
Вопрос: какова скорость разрушения и образования плёнки поверхностного натяжения? Точнее, какова скорость рапространения "дырки" в плёнке и скорость её ретроградного восстановления?
Капли, падающие очень часто одна за другой, вихревых колец в воде не создают, значит плёнка не успевает образоваться. Думаю, скорость распространения дырки или "сшивания" плёнки происходит со скоростью распространения поверхностных волн в слое воды. Она иная, гораздо меньшая, конечно, чем скорость звука в толще воды.
Замечено, что капли, падающие с частотой три в секунду и чаще, не вызывают образования колец. Реже - возможно возникновение колец.
Процесс возникновения колец носит явно вероятностный характер.
Не раз бывало, что тысяча и больше капель не порождали ни одного вихревого кольца.
В других случаях, РЕДКО, почти каждая вторая капля вызывала появления кольца.
Приблизительная оценка скорости движения кольца в воде от нескольких до десяти см. в секунду.
Спешу заметить, что речь идёт об образовании вихревых колец ДОСТИГАЮЩИХ ДНА резервуара сквозь слой воды в 14 см.
Весьма возможно, что вихревые кольца образуются чаще, но кинетическая энергия их недостаточна, чтобы "пробить толстый" слой воды.