Een recente functie-omslagfoto op Wetenschap geportretteerd een zeepbel in het midden van de ineenstorting, gebaseerd op een studie uitgevoerd door Alexandros T. Oratis et al. Het onderzoeksteam in de werktuigbouwkunde, wiskunde en ruimtevaarttechniek aan de Boston University, MIT en Princeton University toonden de vorming aan van intrigerende golfachtige patronen wanneer bellen instortten. Met behulp van een complexe lichtopstelling en snelle sluitertijd in het lab, perfect uitgelijnd om een ​​vluchtig moment vast te leggen, binnen een seconde, ze fotografeerden de kleine luchtbel die uit de omringende media van dichte siliconenolie kwam.

Het scheuren en ineenstorten van viskeuze bellen is wijdverbreid in de natuur en in industriële toepassingen. Het fenomeen gaat gepaard met elastische vellen die radiale rimpels ontwikkelen. Terwijl het gewicht van de film een ​​dominante rol leek te spelen tijdens het instorten van de film en de rimpelinstabiliteit, in dit werk, zwaartekracht bleek een verrassend verwaarloosbare rol te spelen. Op basis van vloeistofmechanica van de verschijnselen, Oratis et al. toonde aan dat oppervlaktespanning de drijvende factor was tijdens collaps om dynamische knikinstabiliteit en rimpelgedrag te initiëren, vergezeld van de afbraak van gekromde viskeuze en visco-elastische films. Het onderzoekswerk is relevant om industriële en chemische toepassingen te begrijpen, inclusief aërosolproductie door uitademing in de luchtwegen.

Kreuken van dunne vellen

Het begrijpen van de vorming van bellen is belangrijk vanwege hun alomtegenwoordigheid in de natuur en industriële toepassingen, waaronder het verzamelen van bellen tijdens de glasproductie, spuiten, opberging van radioactief afval en bij vulkaanuitbarstingen. Elastische vellen kunnen kreuken onder drukbelasting, omdat ze minder energie nodig hebben om te knikken dan samendrukken. In recente onderzoeken hebben onderzoekers zich gericht op het begrijpen van de buigvervormingen die optreden wanneer een dunne elastische laag wordt uitgerekt, prikte, of gewikkeld rond een gebogen object. evenzo, Ook stroperige vloeistoffen kunnen bezwijken in een proces dat wordt waargenomen als 'parachute-instabiliteit' wanneer een opstijgende bel het oppervlak bereikt om te scheuren. Na het opduiken, een bel bestaat uit een dunne vloeistoffilm in de vorm van een bolvormige dop die wordt ondersteund door het gas dat erin is opgesloten. De rimpels die zich ontwikkelen tijdens het breken van de bel, doen dit vanwege het gewicht van de instortende dunne film om ingesloten gas te laten ontsnappen. Oratis et al. toonde aan dat de rimpelinstabiliteit niet specifiek afhing van de zwaartekracht of de aanwezigheid van een experimenteel gevormd gat om ingesloten gas uit de bel te laten ontsnappen.

Het team voerde experimenten uit en observeerde de ontwikkeling van rimpels in een instortende bel op een siliconenoliebad om te laten zien hoe deze werd aangedreven door oppervlaktespanning in plaats van zwaartekracht. Om de hypothese te testen, ze voerden een experiment uit met bubbels die ondersteboven stonden, een benadering vergemakkelijkt door de vloeibare viscositeit. Ze bereikten dit door de bel met de goede kant naar boven voor te bereiden en het monster snel te roteren om het binnen een paar seconden te scheuren. Wanneer omgekeerd, de bellenfilm bleef zijn vorm en dikte aan de top behouden. Als zwaartekracht en viscositeit dominant waren geweest bij het proces, de omgekeerde bellen zouden naar beneden zijn uitgerekt, zoals te zien is in simulaties. In plaats daarvan, het team merkte op dat de omgekeerde bubbel tegen de zwaartekracht in terugkeerde, terwijl rimpels werden gevormd tijdens de laatste stadia van het instorten van de bel, hen een duidelijk beeld te geven van het proces.

Om oppervlaktespanning te begrijpen, de drijvende kracht achter het fenomeen, de wetenschappers maten belangrijke parameters die kenmerkend zijn voor de tijdschaal van ineenstorting. Voor deze, Oratis et al. gebruikte siliconenoliën met verschillende viscositeiten en verschillende filmdiktes tijdens de experimenten. Met behulp van snelle beelden, ze berekenden de representatieve snelheid bij het begin van rimpels en verhoogden de viscositeit van de siliconenolie, ineenstorting te vertragen. Zoals verwacht, dunnere bubbels stortten sneller in. Het in dit werk afgeleide model liet zien hoe het aantal rimpels sterk afhing van de grootte van het gat dat werd gecreëerd om het instorten van de bel te initiëren. Tijdens experimentele demonstraties, het team elimineerde het drukverschil over het beloppervlak met behulp van een capillair gestuurde opstelling die de dunne film niet afbrak, als resultaat, het tijdens het proces gecreëerde gat veroorzaakte op efficiënte wijze het instorten van de bellen zonder de film te scheuren.

De experimentele resultaten kwamen redelijk overeen met de theorie. De concurrentie tussen trekspanning en drukspanning in het systeem beïnvloedde de locatie van rimpelpatronen in de platen. Oratis et al. aanvullende experimenten uitgevoerd met dikkere structuren met behulp van geblazen gesmolten glas gewonnen uit de oven, waar ze de ingesloten lucht door de glasblaaspijp lieten ontsnappen. Tijdens het proces, het geblazen glas stortte in en nam de vorm van een rimpel aan. Het in dit werk afgeleide model had beperkingen voor gegevens met de dunste films waarbij de ineenstorting zo abrupt was dat het rimpelpatroon zijn symmetrie verloor om de hele bel te overspannen. Verder, het model voorspelde dat rimpels niet voor alle omstandigheden zouden optreden.

Op deze manier, Orati en collega's toonden aan dat oppervlaktespanning, niet de zwaartekracht, veroorzaakte de ineenstorting van viskeuze oppervlaktebellen. Ze ontwikkelden een door capillair aangedreven instortingssysteem om dynamische knikinstabiliteit te initiëren via het gelijktijdige samenspel van traagheid, compressie, en viskeuze binding van de terugvallende film. Het werk presenteerde viskeuze platen met elastisch-achtige instabiliteiten tijdens snelle compressie. De resultaten kunnen ook de vloeistofmechanica verklaren van de uitademing van potentiële pathogene aërosolen die verband houden met de afbraak van dunne bellenfilms in de visco-elastische vloeistof die de luchtwegen bekleedt. Het huidige werk suggereert dat oppervlaktespanning alleen kan leiden tot knikinstabiliteit tijdens viskeuze filmbreuk, zodat deze films vouwen en lucht insluiten, waardoor een dieper inzicht wordt verschaft in de mechanismen van aerosolisatie.

© 2020 Wetenschap X Netwerk