Физика

Физики изучили движение пузырьков во влажной пене

Физики изучили движение пузырьков во влажной пене

Naoya Yanagisawa, Rei Kurita / Scientific Reports, 2021

Физики исследовали движение пузырьков во влажной пене и выяснили, что пузырьки, сильно отличающиеся по размеру, перемещаются более хаотично, чем одинаковые. Для этого ученые деформировали слой пены, добавляя к нему капли воды, и наблюдали, как система возвращалась в равновесие. Статья опубликована в журнале Scientific Reports.

Пена — это жидкая или твердая среда с большим количеством пузырьков газа. На первый взгляд пена не кажется чем-то необычным, она встречается в еде и напитках, косметике, строительных материалах. Но с точки зрения физики пена обладает уникальными механическими свойствами. В ней сочетаются эластичность, свойственная твердым материалам, и текучесть, характерная для жидкостей.

Эластичность и текучесть — макроскопические свойства, но они определяются микроскопическими параметрами. Чтобы понять, как ведет себя пена в разных условиях, и эффективно использовать ее в промышленности, нужно изучить мельчайшие пузырьки: их количество, размеры, перемещение при деформации.

Пены делятся на три класса по возрастанию доли жидкости в них: сухие, влажные и пузырчатые. Физики уже знают, как меняются эластичность и текучесть при переходе от одного класса к другому. Они также выяснили, что эти изменения связаны с формой пузырьков: в сухой пене они напоминают многогранники, а в пузырчатой и влажной — сферы.

При этом у ученых пока мало информации о динамике пузырьков. До сих пор было неясно, как происходит их перераспределение, заставляющее пену принимать равновесное состояние после деформации.

Наоя Янагисава (Naoya Yanagisawa) и Ре Курита (Rei Kurita) из Токийского столичного университета экспериментально исследовали динамические свойства влажной пены.

Ученые начали с экспериментов с монодисперсной пеной, в которой все пузырьки имеют примерно одинаковый размер. Они поместили ее между двумя стеклянными пластинками. Получился слой пузырьков, который в условиях эксперимента считали двумерным. Чтобы изучить процесс перераспределения, к пене с помощью пипетки добавили 500 микролитров воды.

Добавление жидкости — щадящий метод внесения деформаций в систему, который сохраняет все пузырьки, но меняет условия, в которых они находятся. Это заставляет их перестраиваться и искать новое стабильное состояние.

(а) Схема эксперимента. Над пластинками с пеной размещена камера. (b) Состояние системы до введения жидкости, отмечено красной точкой. Видно, что система находится в потенциальной яме. (c) Сразу после впрыскивания жидкости. Схема возможных энергетических состояний изменилась, и система больше не находится в равновесии. (d) Система принимает новое равновесное состояние.

Naoya Yanagisawa, Rei Kurita / Scientific Reports, 2021

Сначала пузырьки сместились около точки, в которую попала капля воды, а после вернулись в исходное положение. Это вызвало несколько коллективных перестановок в системе. Чтобы оценить эффект, оказанный впрыскиванием жидкости, ученые использовали две величины: вектор смещения и количество переместившихся пузырьков. Пузырек считали переместившимся, если изменились пузырьки, с которыми он находился в прямом контакте.

(a) График зависимости максимального вектора смещения пузырьков от времени. За t=0 принят момент впрыскивания жидкости. Зеленой стрелкой обозначен момент времени, когда местная доля жидкости в пене становится примерно постоянной, то есть когда эффект инъекции почти исчезает. (b) График зависимости количества переместившихся пузырьков от времени, разные цвета выборок соответствуют разным долям жидкости в пене, график для пены с самым высоким содержанием жидкости (0,11) — темно-зеленый.

Naoya Yanagisawa, Rei Kurita / Scientific Reports, 2021

Изучив монодисперсные пены, ученые повторили эксперимент для полидисперсных пен с разными по размеру пузырьками. Благодаря камере, расположенной над стеклянными пластинками, им удалось зафиксировать и сравнить перераспределения.

Переорганизация пузырьков в монодисперсной пене после добавления капельки воды.

Naoya Yanagisawa, Rei Kurita / Scientific Reports, 2021

Переорганизация пузырьков в полидисперсной пене после добавления капельки воды.

Naoya Yanagisawa, Rei Kurita / Scientific Reports, 2021

Оказалось, что перераспределение пузырьков происходит по-разному в зависимости от диапазона их размеров. В монодисперсной пене пузырьки перемещаются, образуя гексагональные соты. В полидисперсных системах, где пузырьки сильно отличаются друг от друга, их движение более хаотично.

Понимание процессов внутри пенистых материалов важно из-за их широкого применения. Например, мы писали об эффективном теплоизоляторе из целлюлозной пены. А пенистые материалы, более устойчивые к повышению температуры и деформациям, ученые научились печатать на 3D-принтере.

Источник

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть
Закрыть