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:

7 болезней, на которые может указывать запор

Болезнь Крона и другие воспалительные недуги кишечника, травмы спинного мозга, рак поджелудочной железы.
Подробнее »»

5 вещей, которые полезно знать при гипотонии

Гипотония или артериальная гипотензия – это пониженное давление. Она может быть врожденной особенностью, либо возникать вследствие некоторых факторов – например, стресса или патологических изменений в организме.
Подробнее »»

Как ухаживать за кожей до и после тренировок 

Делимся советами, которые помогут сохранить вашу красоту и молодость.
Подробнее »»

Тропический фрукт «Лонган» и его свойства

Считается, что родина этого фрукта находится где-то между Индией и Бирмой, либо в Китае.
Подробнее »»

Его Величество Пирог! Часть 2

Имея возможность бывать в разных странах, мы обязательно привозим с собой рецепты понравившихся нам блюд и делимся ими со своими друзьями.
Подробнее »»

Читайте также:
18.07 - 22:49

В США нашли новые болезни, передающиеся через укусы клещей

В США решили расширить перечень заболеваний, передающихся при укусах клещей.
Подробнее »»

18.07 - 22:31

Долма по-армянски: рецепт с мясным фаршем и рисом

Готовим долму из свежих виноградных листьев с начинкой
Подробнее »»

18.07 - 22:07

В Чернобыле нашли необычайно радиоактивный предмет

Туристов предупредили об опасности.
Подробнее »»

18.07 - 21:53

Сочувствие в соцсетях может дать обратный эффект

По данным американских психологов, такой способ поддержки может еще больше ухудшить состояние человека.
Подробнее »»

18.07 - 21:02

Ешь, чтобы похудеть: правила и меню углеводной диеты

Что такое углеводная диета? Практически каждая диета для похудения сформирована по такому принципу, чтобы урезать количество углеводов.
Подробнее »»

18.07 - 20:37

О чем говорит цвет женского белья

А вы знали, что цвет нижнего белья влияет на сексуальное настроение партнеров? Если нет, то обязательна прочитайте эту статью, и в следующий раз вас уже не увидит поведение любимого человека, ведь цвет все скажет сам…
Подробнее »»

18.07 - 20:01

Его Величество Пирог! Часть 1

Жила-была в деревне красавица крестьянка. Глаза голубые в пол-лица, брови соболиные, румянец во всю щёку, коса до пояса, сарафан, расшитый всеми цветами радуги, а на шее бусы красные в два ряда обвиты.
Подробнее »»

18.07 - 19:22

Релакс-процедуры для идеального лета 

Жительницы мегаполиса подтвердят, стресс становится хроническим и избавиться от неприятного состояния довольно непросто.
Подробнее »»

18.07 - 19:07

Forbes назвал самых высокооплачиваемых звезд

Лидировала в этом году поп-исполнительница Тейлор Свифт. Она заработала за год $185 миллионов.
Подробнее »»

18.07 - 18:28

Как приготовить консервированную кукурузу на зиму: пошаговый рецепт

Рецепт полезной заготовки на зиму от телеведущего Сергея Ливадного
Подробнее »»

18.07 - 18:07

Отказ от этого продукта способен излечить акне за месяц

Дерматологи и диетологи уже несколько лет обсуждают связь между появлением акне (угревой болезни) у взрослых и наличием в рационе молока.
Подробнее »»

18.07 - 17:42

У подростка из-за фастфуда образовалась редкая форма язвы

Молодого человека спасли специалисты Морозовской детской больницы.
Подробнее »»

18.07 - 17:07

Красные бусы... на болоте

Жила-была в деревне красавица крестьянка. Глаза голубые в пол-лица, брови соболиные, румянец во всю щёку, коса до пояса, сарафан, расшитый всеми цветами радуги, а на шее бусы красные в два ряда обвиты.
Подробнее »»

18.07 - 16:29

Отношения: как отказаться от секса

Приходилось ли вам быть в такой ситуации, когда нужно было отказаться от секса?
Подробнее »»

18.07 - 16:04

Количество заболевших корью в Африке выросло на 700%

Количество случаев заболевания корью в некоторых частях Африки возросло на 700 процентов, а доступ к вакцинам затруднен.
Подробнее »»


Загрузка...
Loading...

Справочная информация

Загрузка...