El destino de los anillos de vórtice depende de su trayectoria
Los anillos de aire que generan los delfines y belugas al nadar bajo el agua y los anillos de humo que emiten los motores a reacción son solo dos ejemplos de anillos de vórtice. Estas estructuras con forma de rosquilla y su fascinante movimiento se han estudiado durante décadas debido a su papel en la propulsión y, en el caso de las medusas y otros invertebrados, en la locomoción biológica.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Nueva York y la Universidad de Nueva York en Shanghái ha descubierto una notable propiedad de los anillos de vórtice que había sido pasada por alto durante más de un siglo: una propiedad que ilumina cómo responden estos anillos cuando se mueven a través del agua y llegan al aire (es decir, en la interfaz agua-aire).
Cuando un anillo de vórtice, que se desplaza lateralmente y asciende por el agua, alcanza la superficie y se encuentra con el aire, puede rebotar manteniendo prácticamente su forma, como una pelota de tenis que rebota en una pared. Tras la reflexión, el anillo pierde solo una pequeña fracción de su energía.
Sin embargo, si el anillo de vórtice se mueve más directamente hacia arriba, se rompe en lugar de rebotar.
Vídeo: Un vórtice de agua circulando en un tanque se refleja en una interfaz agua-aire. Crédito: John Zhuang Su et al., NYU Shanghái
El descubrimiento ayuda a comprender el poder y los límites de los anillos de vórtices en la propulsión submarina, incluida la locomoción de algunos animales marinos, y a comprender más plenamente los fenómenos oceanográficos, como las erupciones volcánicas submarinas y las columnas térmicas.
"Desde que Hermann von Helmholtz analizó matemáticamente por primera vez los anillos de vórtices a mediados del siglo XIX, los científicos han buscado desentrañar los misterios de sus propiedades", dice Jun Zhang, profesor de matemáticas y física en la Universidad de Nueva York y la Universidad de Nueva York en Shanghái y autor principal del estudio. "Este avance amplía nuestra comprensión de su comportamiento al revelar algunos de los factores que influyen en el destino de estos anillos".
Para explorar el comportamiento de los anillos de vórtice en una interfaz agua-aire, los investigadores, entre los que también se encontraban Zhuang Su, investigador postdoctoral en la Universidad de Nueva York en Shanghái, y Christiana Mavroyiakoumou, instructora en el Instituto Courant de Ciencias Matemáticas de la Universidad de Nueva York, realizaron una serie de experimentos y simulaciones numéricas.
Generaron anillos de vórtice mediante un pequeño pistón sumergido en un tanque de agua. Los científicos variaron la velocidad de liberación y el ángulo del pistón para crear anillos de diferentes intensidades y trayectorias. El movimiento de los anillos se rastreó con un tinte fluorescente y se registró con una cámara de alta velocidad.
Imagen: Un anillo de vórtice circulando en un tanque se refleja en una interfaz agua-aire. Crédito: John Zhuang Su et al., NYU Shanghái
En general, los anillos tuvieron cuatro tipos diferentes de resultados al llegar a la interfaz agua-aire: disiparse, rebotar y mantener en gran medida su forma, romperse y cruzar la interfaz y transformarse en un chorro de agua.
Mientras que los anillos rebotaban o se rompían dependiendo de su dirección de movimiento, se disipaban cuando eran débiles y cruzaban la interfaz cuando eran fuertes y apuntaban más verticalmente hacia arriba.
El estudio aparece en la revista Physical Review Fluids: Reflection of vortex rings at a water-air interface
