Пузырь — это капля газообразного вещества в жидкости. В противном случае капля жидкости в газе называется глобулой . [ 1] Благодаря эффекту Марангони , пузырьки могут оставаться целыми, достигая поверхности погружаемого вещества.
Пузыри можно увидеть во многих местах повседневной жизни, например:
Пузырьки образуются и сливаются в шаровидные формы, поскольку эти формы находятся в состоянии с более низкой энергией. Для физики и химии, стоящих за этим, см. нуклеация .
Пузырьки видны, потому что у них другой показатель преломления (ПП), чем у окружающего вещества. Например, ПП воздуха составляет приблизительно 1,0003, а ПП воды — приблизительно 1,333. Закон Снеллиуса описывает, как электромагнитные волны меняют направление на границе двух сред с различным ПП; таким образом, пузырьки можно идентифицировать по сопутствующему преломлению и внутреннему отражению, даже если и погруженная, и погружающая среды прозрачны.
Приведенное выше объяснение справедливо только для пузырьков одной среды, погруженных в другую среду (например, пузырьки газа в безалкогольном напитке); объем мембранного пузырька (например, мыльного пузыря) не будет сильно искажать свет, и увидеть мембранный пузырек можно только из-за тонкопленочной дифракции и отражения .
Зародышеобразование можно намеренно вызвать, например, для создания пузырьковой диаграммы в твердом теле.
В медицинской ультразвуковой диагностике для усиления контрастности используются небольшие инкапсулированные пузырьки, называемые контрастным веществом .
В термоструйной печати пузырьки пара используются в качестве приводов. Иногда они используются в других микрофлюидических приложениях в качестве приводов. [2]
Сильное разрушение пузырьков ( кавитация ) вблизи твердых поверхностей и возникающая в результате ударная струя составляют механизм, используемый в ультразвуковой очистке . Тот же эффект, но в большем масштабе, используется в оружии с фокусированной энергией, таком как базука и торпеда . Креветка-пистолет также использует разрушающийся кавитационный пузырь в качестве оружия. Тот же эффект используется для лечения камней в почках в литотриптере . Морские млекопитающие, такие как дельфины и киты, используют пузырьки для развлечения или в качестве орудий охоты. Аэраторы вызывают растворение газа в жидкости путем впрыскивания пузырьков.
Пузырьки используются химиками и металлургами в таких процессах, как дистилляция, абсорбция, флотация и распылительная сушка. Сложные процессы, которые в них участвуют, часто требуют учета массо- и теплопередачи и моделируются с использованием динамики жидкости . [3]
Звездонос и американская водяная землеройка могут чувствовать запах под водой, быстро вдыхая воздух через ноздри и создавая пузырьки. [4]
Исследования происхождения жизни на Земле показывают, что пузырьки могли играть важную роль в ограничении и концентрации молекул-предшественников жизни, функцию, которую в настоящее время выполняют клеточные мембраны . [5]
Пузырьковые лазеры используют пузырьки в качестве оптического резонатора. Их можно использовать как высокочувствительные датчики давления. [6]
Когда пузырьки возмущены (например, когда газовый пузырек впрыскивается под воду), стенка колеблется. Хотя это часто визуально маскируется гораздо большими деформациями формы, компонент колебания изменяет объем пузырька (т. е. это пульсация), которая, при отсутствии внешнего звукового поля, происходит на собственной частоте пузырька . Пульсация является наиболее важным компонентом колебания, с акустической точки зрения, потому что, изменяя объем газа, она изменяет его давление и приводит к излучению звука на собственной частоте пузырька. Для пузырьков воздуха в воде большие пузырьки (пренебрежимо малые поверхностное натяжение и теплопроводность ) подвергаются адиабатическим пульсациям, что означает, что тепло не передается ни от жидкости к газу, ни наоборот. Собственная частота таких пузырьков определяется уравнением: [7] [8]
где:
Для пузырьков воздуха в воде более мелкие пузырьки испытывают изотермические пульсации. Соответствующее уравнение для мелких пузырьков поверхностного натяжения σ (и пренебрежимо малой вязкости жидкости ) имеет вид [8]
Возбужденные пузырьки, запертые под водой, являются основным источником звуков жидкости , например, внутри наших суставов пальцев во время хруста суставами [9] и когда капли дождя падают на поверхность воды. [10] [11]
Повреждение в результате образования и роста пузырьков в тканях тела является механизмом декомпрессионной болезни , которая возникает, когда перенасыщенные растворенные инертные газы покидают раствор в виде пузырьков во время декомпрессии . Повреждение может быть вызвано механической деформацией тканей из-за роста пузырьков in situ или закупоркой кровеносных сосудов в месте, где застрял пузырь.
Артериальная газовая эмболия может возникнуть, когда газовый пузырек попадает в кровеносную систему и застревает в кровеносном сосуде, который слишком мал для прохождения через него при имеющейся разнице давления. Это может произойти в результате декомпрессии после гипербарического воздействия, травмы перерасширения легких , во время внутривенного введения жидкости или во время хирургического вмешательства .
