"Anneaux de vortex, comme des ronds de fumée, sont omniprésents dans la nature, mais leur dynamique n'est pas encore bien comprise, en partie à cause de leur nature transitoire, " dit Falcon. " Dans notre étude, nous avons pu générer de manière stable un anneau (ou tore) de fluide à l'aide d'un métal liquide, ce qui nous a permis d'étudier les fréquences auxquelles le tore de fluide réagit."

Pour former un tore fluide stable qui ne disparaîtrait pas rapidement avec le temps, Falcon et ses collègues ont utilisé du mercure, un métal liquide qui ne mouille pas les surfaces avec lesquelles il entre en contact. Les chercheurs ont injecté du mercure à la périphérie d'un cylindre solide et cela a formé un anneau liquide stable. Le cylindre plein empêchait les ondulations de la périphérie interne du tore qui n'auraient autrement aucun confinement pour minimiser sa surface.

« Cette nouvelle technique nous a permis de réaliser les premières mesures des fréquences de résonance d'un tore de fluide soumis à des vibrations :L'anneau liquide voit apparaître des oscillations sur sa périphérie externe, ces motifs lobés étant amplifiés à certaines fréquences dites de résonance, " expliqua Faucon.

Le diamètre extérieur du tore liquide qu'ils ont observé était d'environ 4 cm et son rapport d'aspect était à peu près le double de celui d'un beignet de confiserie typique. L'anneau fluide qu'ils ont créé reposait sur une plaque qui vibre verticalement, avec une fréquence et une amplitude inférieures à 65 Hz et 0,5 mm, respectivement. L'accélération correspondant à cette vibration est inférieure à la moitié de l'accélération de la gravité terrestre.

Falcon et ses collègues ont utilisé une méthode de mesure optique au laser pour mesurer avec précision les oscillations horizontales à la périphérie externe du tore. Ils ont également pu réaliser une visualisation directe du vortex à l'aide d'une caméra placée directement au-dessus de l'anneau liquide.

"En utilisant cette méthode optique précise, nous avons pu observer jusqu'à 25 lobes apparaissant à la périphérie de l'anneau au fur et à mesure que la fréquence de vibration augmente et nous avons pu caractériser les zones d'instabilité correspondantes, " dit Faucon.

Une fois qu'ils ont rassemblé leurs observations, les chercheurs ont essayé de les interpréter sur la base des théories physiques existantes. En comparant leurs résultats expérimentaux, ils ont adapté avec succès le modèle de goutte habituel proposé par Lord Rayleigh en 1879 à un tore de fluide. Leurs mesures leur ont également permis de déduire indirectement les propriétés géométriques du tore.

Les mesures uniques recueillies par Falcon et ses collègues pourraient avoir plusieurs implications intéressantes, à la fois pour la mécanique des fluides et d'autres domaines de la recherche en physique. Par exemple, leur approche pourrait être utilisée pour modéliser des structures à grande échelle apparaissant de manière transitoire dans des anneaux de vortex étudiés dans divers domaines, y compris la physique des plasmas, biophysique ou géophysique.

"Dans le futur proche, notre expérience est facilement modifiable pour supprimer le confinement interne solide (remplacé par un potentiel toroïdal) et imposer au fluide un écoulement rotationnel entre les pôles de l'anneau liquide ("vorticité poloïdale"), simplement en appliquant une force électromagnétique au métal liquide, " a déclaré Falcon. " Cette configuration devrait alors être en mesure de révéler plus précisément l'origine de ces structures transitoires à grande échelle dans les anneaux de vortex observés dans la nature. "

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