فیزیکدانان با استفاده از چاپ سه بعدی و حباب‌های کوچک، آبی که به سمت بالا درحال پیچش است را گیراندازی کرده‌اند. این نتایج می‌تواند به دانشمندان جهت درک جریان سیالات کمک کند.

حلقه‌های چرخانی از سیال برای اولین بار در گره حبس شده است. فیزیکدانان این کار بزرگ را با کمک برخی ابزارهای آزمایشگاهی دور از انتظاری انجام داده‌اند: ویدئوهای یوتیوب در مورد دلفین‌ها و یک چاپگر سه بعدی.

کارلو بارنگی (Carlo Barenghi) ریاضی-فیزیکدانی از دانشگاه نیوکاسل انگلستان در این باره می‌گوید: «آزمایش قابل توجهی است.» خلق این گرداب‌های گره‌دار در آزمایشگاه 3 مارس در مجله‌ی Nature Physics منتشر شده است. او می‌افزاید که این می‌تواند به دانشمندان جهت درک جریان پلاسما روی خورشید و جریان هوا، خون و سایر سیالات روی زمین کمک کند.

حلقه‌های چرخانی از مایع برای اولین بار در گره حبس شده‌اند. این نتایج می‌تواند به دانشمندان جهت درک جریان هوا و آب روی زمین و پلاسما روی خورشید کمک کند.

گرداب، جرمی چرخان از مایع است مانند گردباد یا چرخش مایع در داخل فنجان قهوه پس از بهم زدن شیر. گرداب‌ها می‌توانند به شکل‌های مختلفی پیچ‌ و‌ تاب پیدا کنند؛ آشناترین مثال حلقه‌های دود است، استوانه‌ای چرخان از ذرات دود در حال چرخش.

در سال 1867، یک فیزیکدان اسکاتلندی به نام لرد کلوین یک گام فراتر نهاد و نشان داد که حلقه‌های گردابی می‌توانند در گره‌ها حبس شوند. ایده‌ی او در ابتدا کشش زیادی نداشت، اما در طول قرن بیستم ریاضیدانان و فیزیکدانان شواهدی را ارائه کردند مبنی بر آنکه حلقه‌های گردابی گره‌دار می‌توانند در پلاسماها و سیالات مختلفی پدیدار شده و جریان آن‌ها را تحت تاثیر قرار دهند. اخیراً در ماه ژانویه اخترشناسان حلقه‌های بافته‌ای از پلاسمای تولید شده به وسیله‌ی میدان مغناطیسی خورشید در تاج خورشیدی را تشخیص داده‌اند.

اما دانشمندان هیچ موفقیتی در تولید گرداب‌های گره‌دار در آزمایشگاه نداشتند. مشکل بر دو قسم بود: آن‌ها مجبور بودند گره‌هایی را تولید کنند که بسیار کوچک بودند و به سرعت ناپدید می‌شدند و سپس وجودشان را اثبات می‌کردند. سال گذشته داستین کلکنر (Dustin Kleckner) و ویلیام ایروین (William Irvine) فیزیکدانانی از دانشگاه شیکاگو تلاش کردند تا بر این مشکلات غلبه کنند.

بال‌های پلاستیکی گره‌دار (مانند شکل) که به وسیله‌ی یک چاپگر سه بعدی ایجاد شده‌اند، به فیزیکدانان اجازه می‌دهند تا حلقه‌های گردابی متصل بهم ایجاد کنند.

کلکنر و ایروین در مورد ایده‌ی یک بال که از میان آب کشیده می‌شود، فکر کردند. زمانی که یک بال به طور ناگهانی از میان یک مایع شتاب می‌گیرد (مانند بال هواپیما در میان هوا)، دو حلقه‌ی گردابی اطراف آن ایجاد می‌شود. «پیچش» در طرح این فیزیکدانان ساخت بالی بود که خودش درون یک گره بسته شود، آن‌ها امیدوار بودند در دنباله‌ی آن، حلقه‌ها به سمت بالا گره زده شوند.

مشکل، ساخت آن بود. ایروین می‌گوید:« تقریباً غیرممکن است که شیئی مانند آن را در گارگاه محاسبات ماشینی بسازید.» خوشبختانه یکی از همکاران یک چاپگر سه بعدی در آزمایشگاهش داشت. در یک روز این چاپگر، بال گره‌داری از جنس پلاستیک صلب را ایجاد کرد.

اما اکنون کلکنر و ایروین باید بفهمند که چگونه هرگردابی را که با گره زدن بال‌ها به وجود می‌آید، شناسایی کنند. آن‌ها با تماشای ویدئویی از یوتیوب که در آن دلفین‌ها در آکواریوم حلقه‌های گردابی را ایجاد کرده و با آن بازی می‌کردند، ایده‌ی مناسبی به ذهن‌شان رسید (فیلم را ببینید). حلقه‌ها به وضوح قابل مشاهده هستند، زیرا دلفین‌ها به حباب‌هایی که در مرکز آن گیر می‌افتادند، ضربه می‌زنند. آن‌ها تصمیم گرفتند که این شاهکار دلفین‌ها را با حذف آب به وسیله‌ی یک جریان الکتریکی برای تولید حباب‌های زیادی در ابعاد میکرو، تقلید کنند.

فیزیکدانان شیکاگو سرانجام بال‌های خود را جهت انجام آزمایش با حباب‌ها پوشاندند و سپس به سرعت از میان مخزن آبی کشیدند. همان‌طور که گروهی از حباب‌ها در دنباله‌ی بال جمع می‌شدند، دوربینی با سرعت 76000 فریم در ثانیه حرکات آن‌ها را به طور سه بعدی ثبت می‌کرد (فیلم را ببینید). هنگامی‌که پژوهش‌گران عکس‌ها را تجزیه و تحلیل کردند، نتایج عاری از هرگونه ابهام بودند: بال‌ها، گرداب‌های گره‌دار تولید کرده بودند. در عرض جندین دهم ثانیه، حلقه‌های بهم پیچیده رشد کرده بودند و سپس به حلقه‌های کوچکتری تقسیم شده بودند.

کلکنر می‌گوید که گام بعدی مطالعه‌ی ساختار و برهم‌کنش این حلقه‌ها و استفاده از آن‌ها در جریان سیالات گوناگون است.   

منبع: http://www.sciencenews.org/view/generic/id/348728/description/Vortex_gets_tied_in_knots