Dansende rosiner:Et simpelt køkkeneksperiment afslører, hvordan genstande kan udvinde energi fra deres omgivelser
Videnskabelig opdagelse kræver ikke altid et højteknologisk laboratorium eller et stort budget. Mange mennesker har et førsteklasses laboratorium lige i deres eget hjem – deres køkken.
Køkkenet byder på masser af muligheder for at se og udforske det, fysikere kalder blødt stof og komplekse væsker. Daglige fænomener, såsom Cheerios, der samler sig i mælk eller ringe efterladt, når kaffedråber fordamper, har ført til opdagelser i krydsfeltet mellem fysik og kemi og andre smagfulde samarbejder mellem fødevareforskere og fysikere.
To studerende, Sam Christianson og Carsen Grote, og jeg offentliggjorde en ny undersøgelse i Nature Communications i maj 2024, der dykker ned i en anden køkkenobservation. Vi undersøgte, hvordan genstande kan svæve i kulsyreholdige væsker, et fænomen, der finurligt omtales som dansende rosiner.
Undersøgelsen undersøgte, hvordan genstande som rosiner rytmisk kan bevæge sig op og ned i kulsyreholdige væsker i flere minutter, endda op til en time.
En medfølgende Twitter-tråd om vores forskning gik viralt og samlede over en halv million visninger på kun to dage. Hvorfor fangede netop dette eksperiment så manges fantasi?
Boblende fysik
Mousserende vand og andre kulsyreholdige drikke bruser af bobler, fordi de indeholder mere gas, end væsken kan understøtte - de er "overmættede" med gas. Når du åbner en flaske champagne eller en sodavand, falder væsketrykket, og CO₂-molekyler begynder at flygte til den omgivende luft.
Bobler dannes normalt ikke spontant i en væske. En væske er sammensat af molekyler, der kan lide at hænge sammen, så molekyler ved væskegrænsen er lidt ulykkelige. Dette resulterer i overfladespænding, en kraft, der søger at reducere overfladearealet. Da bobler tilføjer overfladeareal, presser overfladespænding og væsketryk normalt eventuelle bobler, der dannes, lige ud af eksistensen.
Men ru pletter på en beholders overflade, som raderingerne i nogle champagneglas, kan beskytte nye bobler mod de knusende virkninger af overfladespænding, hvilket giver dem en chance for at dannes og vokse.
Der dannes også bobler inde i de mikroskopiske, rørlignende stoffibre, der er efterladt efter aftørring af et glas med et håndklæde. Boblerne vokser støt i disse rør, og når de er store nok, løsner de sig og flyder opad og fører gas ud af beholderen.
Men som mange champagne-entusiaster, der putter frugt i deres glas, ved, er overfladeætsninger og små stoffibre ikke de eneste steder, hvor der kan dannes bobler. Tilføjelse af en lille genstand som en rosin eller en jordnød til en mousserende drik muliggør også boblevækst. Disse nedsænkede genstande fungerer som lokkende nye overflader, hvor opportunistiske molekyler som CO₂ kan akkumulere og danne bobler.
Og når der er vokset nok bobler på objektet, kan der udføres en levitationshandling. Tilsammen kan boblerne løfte genstanden op til væskens overflade. Når boblerne først er kommet til overfladen, springer de og taber genstanden ned igen. Processen begynder derefter igen, i en periodisk lodret dansende bevægelse.
Dansende rosiner
Rosiner er særligt gode dansere. Det tager kun et par sekunder, før der dannes nok bobler på en rosins rynkede overflade, før den begynder at stige opad – bobler har sværere ved at dannes på glattere overflader. Når den falder ned i netop åbnet sprudlende vand, kan en rosin danse en kraftig tango i 20 minutter og derefter en langsommere vals i endnu en time eller deromkring.
Vi fandt ud af, at rotation eller spinning var afgørende vigtigt for at lokke store genstande til at danse. Bobler, der klæber sig til bunden af en genstand, kan holde den oppe, selv efter de øverste bobler springer. Men hvis objektet begynder at snurre bare en lille smule, får boblerne nedenunder kroppen til at spinde endnu hurtigere, hvilket resulterer i, at endnu flere bobler popper på overfladen. Og jo hurtigere disse bobler fjernes, jo hurtigere kan objektet vende tilbage til sin lodrette dans.
Små genstande som rosiner roterer ikke så meget som større genstande, men i stedet drejer de sig og slingrer hurtigt frem og tilbage.
Modellere den sprudlende flamenco
I papiret udviklede vi en matematisk model til at forudsige, hvor mange ture til overfladen vi ville forvente, at en genstand som en rosin ville foretage. I et eksperiment placerede vi en 3D-printet kugle, der fungerede som en modelrosin, i et glas med netop åbnet sprudlende vand. Kuglen rejste sig fra bunden af beholderen til toppen over 750 gange på en time.
Modellen inkorporerede boblevæksthastigheden samt objektets form, størrelse og overfladeruhed. Det tog også højde for, hvor hurtigt væsken taber kulsyre baseret på beholderens geometri, og især flowet skabt af al den boblende aktivitet.
Den matematiske model hjalp os med at bestemme, hvilke kræfter der påvirker objektets dans mest. For eksempel viste væskemodstanden sig på objektet at være relativt ligegyldigt, men forholdet mellem objektets overfladeareal og dets volumen var kritisk.
Når man ser på fremtiden, giver modellen også en måde at bestemme nogle svære at måle mængder ved hjælp af lettere målte. For eksempel, bare ved at observere et objekts dansefrekvens, kan vi lære meget om dets overflade på mikroskopisk niveau uden at skulle se disse detaljer direkte.
Forskellige danse i forskellige teatre
Disse resultater er dog ikke kun interessante for elskere af kulsyreholdige drikkevarer. Overmættede væsker findes også i naturen - magma er et eksempel.
Efterhånden som magma i en vulkan stiger tættere på jordens overflade, aftager den hurtigt trykket, og opløste gasser inde fra vulkanen gør et streg for at komme ud, ligesom CO₂ i kulsyreholdigt vand. Disse undvigende gasser kan dannes til store højtryksbobler og dukke op med en sådan kraft, at der opstår et vulkanudbrud.
Partiklerne i magma danser måske ikke på samme måde som rosiner gør i sodavand, men små genstande i magmaen kan påvirke, hvordan disse eksplosive begivenheder udspiller sig.
De seneste årtier har også set et udbrud af en anden art - tusindvis af videnskabelige undersøgelser afsat til aktivt stof i væsker. Disse undersøgelser ser på ting som svømmende mikroorganismer og indersiden af vores væskefyldte celler.
De fleste af disse aktive systemer eksisterer ikke i vand, men i stedet i mere komplicerede biologiske væsker, der indeholder den nødvendige energi til at producere aktivitet. Mikroorganismer absorberer næringsstoffer fra væsken omkring dem for at fortsætte med at svømme. Molekylærmotorer transporterer last langs en motorvej i vores celler ved at trække nærliggende energi i form af ATP fra miljøet.
At studere disse systemer kan hjælpe forskerne med at lære mere om, hvordan cellerne og bakterierne i den menneskelige krop fungerer, og hvordan livet på denne planet har udviklet sig til sin nuværende tilstand.
I mellemtiden kan en væske selv opføre sig mærkeligt på grund af en forskelligartet molekylær sammensætning og kroppe, der bevæger sig rundt inde i den. Mange nye undersøgelser har behandlet mikroorganismers adfærd i væsker som slim, for eksempel, der opfører sig som både en tyktflydende væske og en elastisk gel. Forskere har stadig meget at lære om disse meget komplekse systemer.
Mens rosiner i sodavand virker ret enkle sammenlignet med mikroorganismer, der svømmer gennem biologiske væsker, tilbyder de en tilgængelig måde at studere generiske funktioner i de mere udfordrende omgivelser. I begge tilfælde udvinder kroppe energi fra deres komplekse flydende miljø, mens de også påvirker det, og fascinerende adfærd følger.
Ny indsigt om den fysiske verden, fra geofysik til biologi, vil fortsætte med at dukke op fra eksperimenter i bordskala – og måske lige fra køkkenet.
Varme artikler
-
Hvordan mekanisk ventilation påvirker banerne for aerosoler, der kan bære virale partiklerKredit:Pixabay/CC0 Public Domain Vi har vidst i lang tid nu, at COVID-19-virussen, SARS-CoV-2, for det meste er en luftbåren sygdom. Ventilation af indendørs rum er derfor en af de mest nyttige m -
Overraskende lighed mellem stribede sorte huller og høj temperatur superledereKredit:Leiden Institute of Physics Forskere forstår ikke, hvordan nogle materialer bliver superledende ved relativt høje temperaturer. Leidens fysikere har nu fundet en overraskende forbindelse me -
Forskere foreslår ny kilde til sjældne subatomære partiklerSkematisk diagram af antineutronproduktion og interaktion med en proton i målet. Kredit:IHEP Et papir baseret på fælles forskning af prof. Yuan Changzheng fra Institute of High Energy Physics ved -
Fysikere opdager en familie af robuste, superledende grafenstrukturerMIT-fysikere har etableret snoet grafen som en ny familie af robuste superledere, hvor hvert medlem består af skiftende grafenlag, stablet i præcise vinkler. Kredit:Udlånt af forskerne Når det komm
- At handle eller ikke at handle? At bryde elfenbenslåsen
- Opsnuse forfalskede spiritus
- Hvad skrives nummeret til venstre for det kemiske symbol eller den formel, der kaldes?
- Private virksomheder lancerer et nyt rumkapløb - her er hvad de kan forvente
- Kunstige muskler blomstrer, dans, og vinke
- En gang nedsat bindingsmekanisme kan være nøglen til at målrette virus