Ringvirkninger efter boblekollaps i slowmotion

Et nyligt forsidefoto på funktionen på Videnskab skildrede en boble midt i sammenbruddet, baseret på en undersøgelse foretaget af Alexandros T. Oratis et al. Forskergruppen inden for maskinteknik, matematik og rumfartsteknik ved Boston University, MIT og Princeton University demonstrerede dannelsen af ​​spændende bølgelignende mønstre, når bobler undergik kollaps. Ved hjælp af en kompleks belysning og hurtig lukkerhastighed i laboratoriet, perfekt tilpasset til at fange et flygtigt øjeblik, inden for et sekund, de fotograferede den lille boble, der dukker op fra de omgivende medier af tæt silikoneolie.

Brud og sammenbrud af tyktflydende bobler er udbredt i naturen og i industrielle applikationer. Fænomenet ledsages af elastiske plader, der udvikler radiale rynker. Mens filmens vægt syntes at spille en dominerende rolle under filmkollaps og rynket ustabilitet, i dette arbejde, tyngdekraften syntes at spille en overraskende ubetydelig rolle. Baseret på fænomenernes væskemekanik, Oratis et al. viste overfladespænding at være den drivende faktor under sammenbrud for at starte dynamisk knæk ustabilitet og rynke adfærd, ledsaget af nedbrydning af buede viskøse og viskoelastiske film. Forskningsarbejdet er relevant for at forstå industrielle og kemiske anvendelser, herunder aerosolproduktion fra udåndingshændelser i luftvejene.

Rynker af tynde plader

Forståelse af dannelse af bobler er vigtig på grund af deres allestedsnærværende i naturen og industrielle anvendelser, herunder boblesamling under glasfremstilling, spraymaling, bortskaffelse af radioaktivt affald og ved vulkanudbrud. Elastiske plader kan rynke under tryk, da de kræver mindre energi at spænde end komprimere. I nyere undersøgelser har forskere fokuseret på at forstå de bøjningsdeformationer, der opstår, når et tyndt elastisk ark strækkes, stukkede, eller viklet rundt om en buet genstand. Tilsvarende også viskøse væsker kan spænde i en proces, der ses som 'faldskærmsinstabilitet', når en stigende boble når overfladen for at briste. Efter overfladen, en boble består af en tynd flydende film i form af en sfærisk hætte understøttet af den gas, der er fanget inde i den. De rynker, der udvikler sig under boblebrud, gør det på grund af vægten af ​​den kollapsende tynde film for at tillade fanget gas at slippe ud. Oratis et al. viste, at den rynkende ustabilitet ikke specifikt var afhængig af tyngdekraften eller tilstedeværelsen af ​​et hul, der eksperimentelt blev dannet for at tillade fanget gas at slippe ud af boblen.

Teamet gennemførte eksperimenter og observerede udviklingen af ​​rynker i en kollapsende boble på et siliciumoliebad for at vise, hvordan det blev drevet af overfladespænding i stedet for tyngdekraften. For at teste hypotesen, de gennemførte et eksperiment med bobler vendt på hovedet, en fremgangsmåde lettere på grund af den flydende viskositet. De opnåede dette ved at forberede boblen med højre side opad og hurtigt rotere prøven for at briste den på få sekunder. Når den er omvendt, boblefilmen fortsatte med at bevare sin form og tykkelse ved toppen. Hvis tyngdekraften og viskositeten havde været dominerende bidragydere til processen, de omvendte bobler ville have forlænget nedad som det ses i simuleringer. I stedet, holdet bemærkede den omvendte boble, der vendte tilbage mod tyngdekraften, mens der dannes rynker i de sidste faser af boblekollaps, give dem et klart overblik over processen.

For at forstå overfladespænding, drivkraften bag fænomenet, forskerne målte nøgleparametre, der var karakteristiske for sammenbrudets tidsskala. For det, Oratis et al. brugte siliciumolier med forskellige viskositeter og varierede filmtykkelser under forsøgene. Brug af billeder med høj hastighed, de beregnede repræsentativ hastighed ved begyndelsen af ​​rynker og øgede viskositeten af ​​silikoneolien, for at bremse sammenbruddet. Som forventet, tyndere bobler kollapsede hurtigere. Modellen afledt i dette arbejde viste, hvordan antallet af rynker stærkt afhang af størrelsen på det hul, der blev oprettet for at starte boblekollaps. Under eksperimentelle demonstrationer, holdet eliminerede trykforskellen på tværs af bobleoverfladen ved hjælp af en kapillardrevet opsætning, der ikke nedbrydede den tynde film, som resultat, hullet, der blev skabt i processen, fremkaldte effektivt boblekollaps uden at sprænge filmen.

De eksperimentelle resultater var i rimelig overensstemmelse med teorien. Konkurrencen mellem træk- og trykbelastning i systemet påvirkede placeringen af ​​rynkemønstre i pladerne. Oratis et al. udførte yderligere forsøg med tykkere strukturer ved hjælp af blæst smeltet glas ekstraheret fra ovnen, hvor de tillod den indesluttede luft at slippe ud gennem det glasblæsende rør. Under processen, det blæste glas faldt sammen for at antage formen af ​​en rynke. Modellen afledt i dette arbejde havde begrænsninger for data med de tyndeste film, hvor sammenbruddet var så abrupt, at det rynkende mønster mistede sin symmetri for at spænde over hele boblen. Desuden, modellen forudsagde, at rynker ikke ville forekomme under alle forhold.

På denne måde, Oratis og kolleger viste, at overfladespænding, ikke tyngdekraften, drev sammenbruddet af tyktflydende overfladebobler. De udviklede et kapillardrevet kollaps system til at starte dynamisk knæk ustabilitet via det samtidige samspil af inerti, kompression, og viskøs binding af den tilbagefaldende film. Arbejdet præsenterede tyktflydende ark med elastisk-lignende ustabilitet under hurtig komprimering. Resultaterne kan også forklare væskemekanikken ved udånding af potentielle patogenbærende aerosoler, der er knyttet til nedbrydning af tynde boblefilm i den viskoelastiske væske, der leder luftvejene. Det nuværende arbejde tyder på, at overfladespænding alene kan forårsage ustabilitet ved knækning under viskøs filmbrud for disse film til at folde og fange luft, derved give dybere indsigt i mekanismerne for aerosolisering.

© 2020 Science X Network