¿Cómo se propagan las ondas en un toroide líquido?

Los científicos han estudiado durante mucho tiempo las olas en la superficie del mar o de un lago y, en general, se entienden bien. Pero, ¿cómo se propagarían en una superficie más compleja, por ejemplo, la superficie de un anillo (un toro) de líquido?

¿Cómo obtener un toroide líquido?

Una primera dificultad es obtener dicho toro. Aunque los registros fluidos son omnipresentes en la naturaleza (anillo de humo Donde anillo de una burbuja submarina producida por delfinespor ejemplo), es raro encontrar núcleos líquidos. De hecho, estos son generalmente inestable : se rompen en gotitas o cierran su orificio central.

Una pequeña cantidad de agua depositada sobre una superficie plana forma una pequeña gota. A mayor cantidad se observa un esparcimiento del líquido, en parte porque “moja” la superficie, es decir, le gusta estar en contacto con la superficie. Para evitar este efecto, utilizamos una superficie que ya hemos tratado en un «súper hidrofóbico»es decir, repele el agua, como una hoja de loto.

Así se puede producir una gran gota, las fuerzas capilares aseguran su coherencia y minimizan su superficie, como la tensión de la membrana de un globo. La ventaja es que esta gota apenas se adhiere a la superficie debido a su reducido contacto, pudiendo así moverse casi sin restricciones.

Sin embargo, carece de un ingrediente crucial para obtener un toroide líquido.

El truco experimental, para obtener un toro, consiste en grabar una ranura circular, cónica y ligeramente inclinada, en la placa. El agua intenta entonces, por capilaridad, ascender por la baja pendiente del surco, pero es empujada hacia abajo por la gravedad. De esta manera, la capilaridad y la gravedad se equilibran entre sí. Esta técnica permite entonces obtener un toro infinitamente estable cuyo perímetro central se encuentra directamente encima de la ranura circular.

Diferentes modos de propagación

Entonces pudimos medir, por primera vez, ondas a lo largo de un toro y estudiar su comportamiento. Usando un pistón en movimiento, pudimos crear ondas que se propagan a los bordes exterior e interior del toro.

Las ondas así obtenidas tienen diferentes modos de propagación.

Allí encontramos ondas que se propagan como la superficie de un lago (las llamadas ondas gravito-capilares), pero que son modificadas por la geometría curva del toro. También se observan otros modos de propagación, como los resultantes del movimiento oscilatorio global del toro, de arriba hacia abajo, a lo largo de la pendiente del surco; ambos bordes se mueven en la misma dirección. Otros, finalmente, corresponden a modos chapoteantes cuyos dos bordes se mueven en direcciones opuestas.

Esta diversidad inesperada hace que un toroide líquido sea un sistema nuevo e interesante para estudiar estas ondas. La interacción entre las ondas que se propagan en cada borde del toro podría permitir, por ejemplo, modelar mejor las oscilaciones indeseables en plasmas magnetizados en forma de toro (tokamak).

Actualmente nos estamos enfocando en ondas de mayor amplitud. Los solitones son un ejemplo fascinante: localizados, se propagan sin deformación a lo largo de largas distancias con una velocidad que depende de su amplitud. Se utilizan en particular para modelar tsunamis. Recientemente informamos observación de solitones a lo largo del toro y estudió su colisión. Dado que el toro está cerrado sobre sí mismo, la periodicidad de tal geometría induce formas y velocidades de los solitones que son diferentes de las observadas en una superficie plana de líquido.

Estos primeros experimentos dentro de esta “rosquilla” de líquido abren así el camino a propiedades de los solitones hasta ahora desconocidas en esta geometría.

Esta imagen es una de las ganadoras del concurso Mécapixel 2021.