运动轨迹决定涡环的“命运”
海豚在水下吹出的气泡环和喷气发动机喷出的烟环，是两种典型的涡环（vortex rings）。这些甜甜圈状的涡旋结构及运动，因其在推进系统（propulsion）与生物运动机制研究中的作用——如水母和其他无脊椎动物的移动，已成为领域内持续数十年的研究热点。
上海纽约大学和纽约大学的研究团队取得重要突破，揭示了在水中沿直线行进的上行涡环在即将遇到空气时（即将跨越水—气界面）的种种行为。其中，在一定条件下，涡环被水气界面近乎完美地反弹。这个现象被忽视了一个多世纪之久。
当涡环朝着斜上方运动至水面并即将与空气相遇时，会发生反弹，且它能够基本保持原有形状不变——就像网球撞击墙面后弹回一样。
关于对涡环形成和运动的研究可以追溯到十九世纪中叶，曾几何时，不同的涡环形貌也被用来解释原子模型。当然，这些模型最终被我们今天熟知的恒星-行星模型取代，不过研究者对涡环探索的热情从来没有熄灭过。
不过，如果涡环以更接近垂直的角度向上运动，就不再产生反弹，而是出现破碎解体。
这一发现为理解涡环在水下推进中的能量与极限提供了助力，如某些海洋动物的运动方式，并增进了我们对海底火山喷发、热液羽流等海洋学现象的了解。
这项研究发表于美国物理学会关于流体科学的权威期刊《流体物理评论》（Physical Review Fluids）。作为文章的资深作者，上海纽约大学物理学和数学教授、纽约大学全球特聘教授张骏表示：“自从德国物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）在19世纪中叶首次对涡环进行数学分析以来，科学家们一直致力于揭开其特性的神秘面纱。我们的研究揭示了影响涡环走势的一些因素，这一突破进一步深化了我们对涡环行为机制的理解。”
为研究涡环在水—气界面处的行为，上海纽约大学物理学博士后研究员苏桩和纽约大学库朗数学科学研究所讲师Christiana Mavroyiakoumou等研究人员开展了一系列实验和数值模拟。
水箱中，运动的水涡环在水—气界面发生反弹。视频来源：上海纽约大学物理学博士后研究员苏桩等
他们利用浸没式小型活塞装置在水箱中生成涡环，通过调控活塞的释放速度和角度，制备不同强度和方向路径的涡环。涡环的运动轨迹由荧光示踪，并被高速摄像机记录了下来。
总体来看，当涡环到达水—气界面时，会出现四种不同的结果：能量耗散、反弹并基本保持原有形状、发生破碎解体，或穿过界面并转化为水柱。
涡环会随运动方向的不同反弹或破裂，当涡环能量较弱时会发生能量耗散，高能量且接近垂直向上运动的涡环，则能穿过界面。