26.06 - 19:44

Физики разобрались в замерзании мыльных пузырей


 

Физики из США экспериментально исследовали замерзание мыльных пузырей, выделили два основных сценария замерзания и объяснили их теоретически. В частности, ученые установили, что так называемый «эффект снежного шара», при котором кристаллики льда кружатся по поверхности пузыря, возникает за счет теплового эффекта Марангони. Статья опубликована в Nature Communications.

Когда температура за окном упадет ниже −15 градусов, выйдите на улицу и попробуйте выдуть мыльный пузырь. Как только пузырь коснется холодной поверхности (например, снега), по нему побегут причудливые узоры, напоминающие узоры мороза на оконном стекле, а сам пузырь в течение нескольких секунд полностью замерзнет. Если воздух внутри образовавшейся ледяной сферы будет горячее окружающей среды, он постарается вырваться наружу и разрушить сферу, поэтому пузырь рекомендуется выдувать не ртом, а быстрым движением кольца. Если же температура опустится еще на десять градусов, ждать, пока пузырь коснется поверхности, не придется — он будет замерзать и разрушаться еще в воздухе.

 

Впервые этот эффект, который иногда называют «эффектом снежного шара» (snow-globe effect), исследовал в 1949 году Винсент Шефер (Vincent Schaefer), запускавший мыльные пузыри на вершине горы Вашингтон. Впрочем, тогда физик ограничился описанием формы кристаллов, намерзающих на пузыре, и не пытался объяснить происходящие процессы теоретически. Более того, ученые до сих пор плохо понимают, какие эффекты управляют этим процессом. Это связано с необычной формой пузыря: в отличие от других замерзающих объектов, пузырь может проводить тепло только вдоль своей поверхности. Поэтому знания, наработанные в экспериментах с замерзающими каплями или пленками, не могут объяснить замерзание пузыря.

Поэтому группа ученых под руководством Джонатана Борейко (Jonathan Boreyko) исследовала замерзание мыльных пузырей в эксперименте, а затем разработала качественную модель этого процесса. В качестве жидкости для мыльных пузырей ученые использовали водно-глицериново-мыльный раствор (в пропорциях 79:20:1), замерзающий при температуре −6,5 градусов Цельсия. Всего ученые поставили два набора экспериментов, которые отличались окружающими условиями. В первом наборе опытов температура поверхности, на которой располагался пузырь, совпадала с температурой воздуха и находилась на уровне −20 градусов Цельсия, то есть значительно ниже температуры замерзания раствора. В экспериментах второго типа температура подложки поддерживалась на таком же низком уровне, однако окружающий воздух прогревался до комнатной температуры (25 градусов Цельсия). Для охлаждения подложки ученые использовали элемент Пельтье, посыпанный снегом, а процесс замерзания пузыря записывали на высокоскоростную камеру.
При замерзании по первому сценарию (холодный воздух, холодная подложка) ученые выделили следующие этапы. Как только пузырь касался холодной поверхности, в месте контакта намерзали небольшие кристаллики льда. Чтобы проверить, что кристаллы намерзают именно на границе, ученые заменяли подложку сухой кремниевой пластиной, на которой кристаллы расти не могли. Затем по стенке пузыря разбегались потоки жидкости, которые поднимали и кружили кристаллики льда. На этом этапе пузырь напоминал снежный шар, который предварительно встряхнули. В течение нескольких секунд потоки постепенно утихали, пока не прекращались полностью. После этого вмерзшие кристаллы льда продолжали расти, пока вся поверхность пузыря не замерзала полностью. В сумме процесс замерзания длился не дольше минуты.

Как показал анализ ученых, в основном потоки возникают за счет теплового эффекта Марангони, то есть жидкость перемещается за счет тепла, которое высвобождается при замерзании раствора около подложки. Остальными потоками, которые могли бы возникнуть за счет перепада концентраций раствора, изменения кривизны поверхности или всплывания нагретой жидкости, можно пренебречь. Кроме того, ученые отмечают, что рост отдельных кристалликов льда, разнесенных по поверхности пузыря, сводится к широко известной задаче Стефана, которая описывает замерзание переохлажденной жидкости.

При замерзании по второму сценарию (теплый воздух, холодная подложка) стенка пузыря вела себя совсем по-другому. Сначала в ней возникали такие же потоки жидкости, как и в первом сценарии, однако из-за высокой температуры окружающего воздуха они быстро затухали, а поднятые кристаллики льда плавились. Примерно через пять секунд в жидкости устанавливалось равновесие. К этому моменту нижняя часть пузыря успевала частично замерзнуть. Еще две минуты спустя в не замерзшей части пузыря снова запускались потоки жидкости, которые ученые приписывают предельной регенерации (marginal regeneration), то есть утончению жидкой пленки под действием силы тяжести. Наконец, еще через несколько минут пленка внезапно сдувалась и схлопывалась. Этот эффект ученые объясняют охлаждением и падением давления газа внутри пузыря (закон Шарля).

 https://nplus1.ru

Ключевые слова:
Читайте также:
13.10 - 19:40

Почему мужчины любят черное?

Как вы себе представляете классический образ мужчины?
Подробнее »»

13.10 - 18:39

Как испечь простой пирог с грушами и шоколадом

Как испечь простой пирог с грушами и шоколадом
Подробнее »»

13.10 - 18:36

Как хорошо выглядеть и хорошо себя чувствовать

В двадцать лет просто невозможно выглядеть плохо, достаточно просто утром умыться и расчесать волосы.
Подробнее »»

13.10 - 16:59

Гриб-дождевик: затягивает раны, выводит токсины и хорош с белым вином

Ценные грибочки появляются осенью после обильных дождей.
Подробнее »»

13.10 - 14:33

Что приготовить на завтрак ребенку: ТОП-5 рецептов

Вкусные и оригинальные завтраки для детей
Подробнее »»

13.10 - 14:33

Время, назад: самомассаж лица

Кому из нас не хотелось платить меньше, а получать больше?
Подробнее »»

13.10 - 12:58

Чистящие средства с отбеливателем делают воздух в помещении опасным

Специалисты объяснили, как проводить уборку с умом.
Подробнее »»

13.10 - 12:28

Стильные прически 2019

В сезоне 2019 выделяются несколько направлений.
Подробнее »»

13.10 - 10:19

Упрямый ребенок: что делать?

Каждый родитель периодически сталкивается с детским упрямством.
Подробнее »»

13.10 - 09:28

Фейхоа: польза, вред и как правильно есть

Фейхоа – это вкуснейший тропический фрукт с забавным названием и необыкновенным вкусом.
Подробнее »»

13.10 - 08:55

Ученые: банальные средства для желудка таят большую опасность

Ученые: банальные средства для желудка таят большую опасность.
Подробнее »»

13.10 - 07:15

Дети в Средневековье

Часто мы ругаем современное общество, все не так и все не то.
Подробнее »»

13.10 - 06:41

Рецепт пряного чая с медом, апельсином и ромом

Такой напиток хорошо согревает и обладаем отменным вкусом.
Подробнее »»

13.10 - 06:09

Продавцы мяса поддержали веганскую акцию протеста

Animal Rebellion, подразделение экологической организации Extinction Rebellion, занимающееся вопросами прав животных, открыло рынок фруктов и овощей на крупнейшем рынке мяса в Великобритании.
Подробнее »»

13.10 - 05:43

WWF России: Исчезнувших не вернуть, но можно сохранить оставшихся

Герои этой кампании – представители восьми исчезающих видов, в спасении которых участвует WWF России: белый медведь, атлантический морж, амурский тигр, дикий северный олень, переднеазиатский леопард, европейский зубр, сайгак и снежный барс.
Подробнее »»


Загрузка...
Loading...

Справочная информация

Загрузка...