Вихрові кільця – це захоплююче явище, а електромагнетизм – ще більш вражаючий. Команда фізиків знайшла спосіб об’єднати ці два феномени, створивши електромагнітну гармату для генерування вихрових кілець.
У рідинах (включаючи гази) вихрові кільця можуть утворюватися завдяки силам тертя, коли струмінь рухається з більшою швидкістю, ніж навколишнє середовище. Вихрові гармати використовуються для створення миттєвих перепадів тиску, що призводять до утворення вихрового кільця, хоча такі явища часто зустрічаються і в природі.
«Градієнт швидкості викликає утворення кільцевого вихору, коли внутрішні шари обертаються навколо зовнішніх», – пояснюється у дослідженні. «Цей процес триває частки секунди, після чого вихрове кільце імпульсивно викидається в повітря. Завдяки власній інерції, тепловій підйомній силі та інерції обертової рідини, вихрове кільце піднімається вгору в атмосферу, де сповільнюється та охолоджується через процеси дифузії та теплопередачі».
Це досить захоплююче видовище, але не підходьте надто близько, якщо ви, наприклад, медуза.
Попри свою видовищність, вихрові кільця можуть стати ще цікавішими, якщо додати елемент електромагнетизму. У 1996 році фізики Р. В. Хеллворт та П. Нучі запропонували розв’язок рівнянь Максвелла, який дозволяє створювати «літаючі пончики» – імпульси у формі кільця, що можуть поширюватися у вільному просторі.
Хоча ці електромагнітні вихори (чи «пончики») мали потенціал для використання в комунікаційних та бездротових технологіях, їх ніколи не спостерігали до цього моменту. І коли вони були зафіксовані, їх стійкість вразила дослідників.
«Ми повідомляємо, що мікрохвильові тороїдальні імпульси можуть бути створені за допомогою широкосмугової рупорної антени як електромагнітний аналог повітряної вихрової гармати», – зазначили міжнародні дослідники у своїй недавній роботі. «Застосовуючи цей ефективний генератор, ми експериментально дослідили топологічні структури імпульсів у вільному просторі та продемонстрували їх стійкі динамічні властивості».
Процес, хоча і ускладнений електромагнетизмом, дещо схожий на утворення вихрових кілець.
«Принцип полягає у використанні радiально поляризованих конічних антен, які створюють обертальну електромагнітну структуру», – пояснили дослідники. «Коли антена випромінює, вона генерує миттєвий перепад тиску, що формує ці вихрові кільця, які зберігають свою форму та енергію на великих відстанях. Унікальність методу полягає в тому, що він дозволяє створювати електромагнітні імпульси зі складними топологічними особливостями, які демонструють стійкість та здатність до самовідновлення під час поширення».
Це не просто захопливий експеримент: такі вихрові кільця можуть переносити більше інформації, ніж звичайні хвилі, що робить їх перспективними для майбутніх поколінь комунікаційних мереж, а також відкриває нові можливості для передачі та кодування даних.
«Крім того, їх здатність зберігати структурну цілісність навіть в умовах зовнішніх перешкод робить їх цінним інструментом для дистанційного зондування та виявлення цілей», – додають дослідники. «Аналізуючи унікальні структури цих вихрових імпульсів, ми можемо розробити більш точні та надійні методи для виявлення об’єктів, будь-то в оборонних системах або космічних дослідженнях».
Попереду ще багато досліджень, але наразі можемо святкувати появу електромагнітної вихрової гармати.
Дослідження опубліковане в журналі Applied Physics Reviews.