Похила поверхня змусила бульбашки у воді зробити сальто назад

Американські фізики постежили за рухом бульбашок повітря у воді та впіймали їх за переворотом назад. Таке сальто бульбашки зробили, зіткнувшись із поверхнею під нахилом у 15 градусів, хоча найяскравішими перевороти були під кутом у три градуси. Вимірюючи швидкість руху бульбашок, вчені припустили, що на сальто бульбашки штовхає потік рідини навколо, поки вони прямують нагору. Тож вони створили теоретичну модель, яка враховує взаємодію бульбашки з її «слідом» та збігається з експериментами. Препринт роботи доступний на arXiv.

Навіщо це вченим?

Закони, які описують фізику зіткнення, з'явилися ще у 17 столітті за Ньютона, Рена та Гюйгенса, які розмірковували про пружні та непружні зіткнення. І якщо ви кинете м'ячик на підлогу, то це пружне зіткнення і кут падіння дорівнюватиме куту відбивання. Якщо ж поверхню нахилити, то хоча ці кути відрізнятимуться, м'яч однаково не підскочить перпендикулярно поверхні, якщо його не закрутити перед цим. При цьому, якщо замінити м'яч на повітряну бульбашку, то це вже випадок непружного зіткнення, у якому бульбашка зазнає значної деформації.

Втім, якщо фізикам багато відомо про зіткнення бульбашок із прямими поверхнями, що використовується зокрема у методах очищення поверхонь. Але вчені з Корнелльського та Браунського університетів звернули увагу, що дослідженню зіткнення бульбашок із похилими поверхнями, навпаки, приділено дуже мало уваги.

Як бульбашки роблять сальто?

Для цього вчені наповнили водою резервуар та під наглядом високошвидкісної камери запускали з розміщеної на дні голки бульбашки, які мали натикатися на своєму шляху зі скляною платформою. Фізики працювали із бульбашками діаметром у 0,6, 0,65 та 0,7 міліметра, які підіймалися по прямій траєкторії до скельця, яке вчені нахиляли під різними кутами від 0 до 20 градусів. І спостерігаючи за ними, вчені побачили, як при зіткненні з нахиленим скельцем, бульбашки спочатку відскакували від нього як при пружному зіткненні, а відтак робили переворот назад.

Так відбувалося з невеликими відмінностями при нахилі від п'яти до 20 градусів, коли бульбашка вже не демонструвала сальто. Причому цікаво, що найсильніші перевороти бульбашки демонстрували при нахилі у три градуси. Щоб краще зрозуміти, що змусило бульбашки так поводитися, вчені вирішили освітити резервуар лазерним світлом та наповнити його скляними кульками діаметром по 10 мікрометрів. Рух бульбашки тягнув за собою кульки, що дало фізикам можливість помітити, що до сальто призводить власний потік рідини — кільватерний струмінь. Побудована математична модель, яка описує появу і динаміку цієї течії, добре збіглася із побаченим в експерименті.

Навіщо це потрібно?

Цікавій поведінці бульбашок науковці знайшли і практичне використання: провели серію експериментів із очищенням поверхонь. Покривши скло білковим розчином, на нього протягом 15 хвилин націлювали потік бульбашок із частотою в приблизно 20 бульбашок на хвилину. І з'ясувалося, що під час сальто бульбашки здатні очистити більшу площу через зсув. Тому вчені пропонують використовувати це для очищення і дезінфекції поверхонь.

Насправді вчені багато вивчають поведінку бульбашок, що може стати у пригоді в технологіях очищення. Наприклад, експериментуючи з краплями солі, вони з'ясували, що ті можуть відрощувати ніжки і самостійно видалятися з поверхні. А кинута на нагріту масляну поверхню крапля води пробігла на швидкості 10 сантиметрів за секунду, що також згодиться і в створенні поверхонь, що самоочищуються.

Бульбашки для фізиків

🫧Вчені вкрили бульбашками антибульбашки, потрусили, та подовжили їм життя на 13 годин

🍩Трьома видами бульбашок вдалося описати і бризкання олії при смаженні

🦠Також фізики надули бульбашку, яка не луснула за рік. І то лише через те, що у ній поселилося якесь «життя»

🚀Причому надувають бульбашки не лише на Землі, а і в космосі. Ось, наприклад, на Міжнародній космічній станції вчені змусили зібратися у бульбашки ультрахолодні атоми

---