Пузырь (физика)

Globule of one substance in another, usually gas in a liquid

Пузырьки воздуха поднимаются над аквалангистом в воде

Мыльный пузырь , плавающий в воздухе

Пузырь – это глобула газового вещества в жидкости. В противоположном случае глобула жидкости в газе называется каплей . ^[1] Из-за эффекта Марангони пузырьки могут оставаться неповрежденными, когда достигают поверхности иммерсивного вещества.

Общие примеры

Пузыри можно увидеть во многих местах повседневной жизни, например:

• Как спонтанное зародышеобразование перенасыщенного углекислого газа в безалкогольных напитках
• Как пар в кипящей воде
• Когда воздух смешивается с взволнованной водой, например, под водопадом.
• Как морская пена
• Как мыльный пузырь
• Как выделяется в химических реакциях, например, пищевая сода + уксус.
• Как газ, попавший в стекло при его производстве
• Как индикатор в ватерпасе

Физика и химия

Пузыри формируются и сливаются в шаровидные формы, потому что эти формы находятся в более низком энергетическом состоянии. О физике и химии, лежащих в основе этого, см. Зародышеобразование .

Появление

Пузырьки газа , поднимающиеся в безалкогольном напитке

Пузырьки видны, потому что у них другой показатель преломления (RI), чем у окружающего вещества. Например, RI воздуха составляет примерно 1,0003, а RI воды примерно 1,333. Закон Снеллиуса описывает, как электромагнитные волны меняют направление на границе раздела двух сред с различным RI; таким образом, пузырьки можно идентифицировать по сопутствующему преломлению и внутреннему отражению , даже если как погруженная, так и погружающая среда прозрачны.

Приведенное выше объяснение справедливо только для пузырьков одной среды, погруженных в другую среду (например, пузырьков газа в безалкогольном напитке); объем мембранного пузыря (например, мыльного пузыря) не сильно искажает свет, и мембранный пузырь можно увидеть только за счет дифракции и отражения в тонкой пленке .

Приложения

Нуклеацию можно вызвать намеренно, например, для создания пузырьковой диаграммы в твердом теле.

При медицинской ультразвуковой визуализации для усиления контраста используются небольшие инкапсулированные пузырьки, называемые контрастным веществом .

При термоструйной печати в качестве приводов используются пузырьки пара. Иногда они используются в других приложениях микрофлюидики в качестве приводов. ^[2]

Сильное схлопывание пузырьков ( кавитация ) вблизи твердых поверхностей и образующаяся в результате падающая струя представляют собой механизм, используемый при ультразвуковой очистке . Тот же эффект, но в большем масштабе, используется в фокусированном энергетическом оружии, таком как базука и торпеда . Креветки-пистолеты также используют в качестве оружия схлопывающийся кавитационный пузырь. Тот же эффект применяют для лечения камней в почках в литотриптере . Морские млекопитающие, такие как дельфины и киты, используют пузыри для развлечения или в качестве инструментов охоты. Аэраторы вызывают растворение газа в жидкости путем впрыскивания пузырьков.

Пузырьки используются инженерами - химиками и металлургами в таких процессах, как дистилляция, абсорбция, флотация и распылительная сушка. Сложные процессы часто требуют учета массо- и теплопереноса и моделируются с использованием гидродинамики . ^[3]

Звездоносый крот и американская водяная землеройка могут чувствовать запах под водой, быстро дыша через ноздри и создавая пузырь. ^[4]

Исследования происхождения жизни на Земле показывают, что пузырьки, возможно, играли важную роль в удержании и концентрации молекул-предшественников жизни — функцию, которую в настоящее время выполняют клеточные мембраны . ^[5]

Пульсация

Когда пузырьки потревожены (например, когда пузырь газа вводится под воду), стенка колеблется. Хотя это часто визуально маскируется гораздо большими деформациями формы, часть колебаний изменяет объем пузырька (т.е. это пульсация), которая в отсутствие внешнего звукового поля возникает на собственной частоте пузырька . Пульсация является наиболее важной составляющей колебаний с акустической точки зрения, поскольку, изменяя объем газа, она меняет его давление и приводит к излучению звука на собственной частоте пузырька. Что касается пузырьков воздуха в воде, то крупные пузырьки (незначительные поверхностное натяжение и теплопроводность ) испытывают адиабатические пульсации, а это означает, что тепло не передается ни от жидкости к газу, ни наоборот. Собственная частота таких пузырьков определяется уравнением: ^{[6] [7]}

${\displaystyle f_{0}={1 \over 2\pi R_{0}}{\sqrt {3\gamma p_{0} \over \rho }}}$

где:

• ${\displaystyle \gamma }$это удельная теплоемкость газа
• ${\displaystyle R_{0}}$- радиус устойчивого состояния
• ${\displaystyle p_{0}}$это установившееся давление
• ${\displaystyle \rho }$- массовая плотность окружающей жидкости

В случае пузырьков воздуха в воде более мелкие пузырьки испытывают изотермические пульсации. Соответствующее уравнение для маленьких пузырьков с поверхностным натяжением σ (и пренебрежимо малой вязкостью жидкости ) имеет вид ^[7]

${\displaystyle f_{0}={1 \over 2\pi R_{0}}{\sqrt {{3p_{0} \over \rho }+{4\sigma \over \rho R_{0}}}}}$

Возбуждённые пузырьки, оказавшиеся под водой, являются основным источником звуков жидкости , например, внутри наших костяшек пальцев во время хруста костяшками пальцев ^[8] или когда капля дождя ударяется о поверхность воды. ^{[9] [10]}

Физиология и медицина

Повреждение тканей организма в результате образования и роста пузырьков — механизм декомпрессионной болезни , возникающий при выходе перенасыщенных растворенных инертных газов из раствора в виде пузырьков при декомпрессии . Повреждение может быть вызвано механической деформацией тканей из-за роста пузыря на месте или закупоркой кровеносных сосудов , в которых застрял пузырь.

Артериальная газовая эмболия может возникнуть, когда газовый пузырек попадает в систему кровообращения и застревает в кровеносном сосуде, который слишком мал для того, чтобы он мог пройти через него при имеющейся разнице давлений. Это может произойти в результате декомпрессии после гипербарического воздействия, травмы перерасширения легких , при внутривенном введении жидкости или во время хирургического вмешательства .

Смотрите также

• Антипузырь
• Слияние пузырей
• Датчик пузырьков
• Мыло
• Миннартский резонанс
• Сонолюминесценция
• Подводная акустика

Рекомендации

1. Субраманиан, Р. Шанкар; Баласубраманиам, Р. (9 апреля 2001 г.). Движение пузырьков и капель в условиях пониженной гравитации. Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780521496056.
2. Р. Дж. Дейкинк, Дж. П. ван дер Деннен, К. Д. Оль, А. Просперетти , «Акустический гребешок»: привод с пузырьковым приводом , J. Micromech. Микроинж. 16 1653 (2006)
3. Вебер; и другие. (1978). Пузыри, капли и частицы . Нью-Йорк: Dover Publications. ISBN 978-0-486-44580-9.
4. Роксана Хамси. «Звездоносый крот может нюхать воду, показывают видео» .
5. Уиткомб, Изобель (6 августа 2019 г.). «Ключ к возникновению жизни? Пузыри, утверждает новое исследование». ЖиваяНаука . Проверено 8 января 2022 г.
6. Миннарт, Марсель, О музыкальных пузырьках воздуха и звуках текущей воды, Фил. Маг. 16, 235–248 (1933).
7. Лейтон, Тимоти Г., Акустический пузырь (Академический, Лондон, 1994).
8. Чандран Суджа, В.; Баракат, А.И. (29 марта 2018 г.). «Математическая модель звуков, издаваемых при щелканье костяшками пальцев». Научные отчеты . 8 (1): 4600. Бибкод : 2018NatSR...8.4600C. дои : 10.1038/s41598-018-22664-4. ISSN  2045-2322. ПМК 5876406 . ПМИД  29599511. 
9. Просперетти, Андреа; Огуз, Хасан Н. (1993). «Воздействие капель на жидкие поверхности и подводный шум дождя». Ежегодный обзор механики жидкости . 25 : 577–602. Бибкод : 1993AnRFM..25..577P. doi : 10.1146/annurev.fl.25.010193.003045.
10. Рэнкин, Райан С. (июнь 2005 г.). «Пузырьковый резонанс». Физика пузырей, антипузырей и всего такого . Проверено 9 декабря 2006 г.