Студент решил 100-летнюю загадку физики про тонкую трубку, воду и пузырьки
Москва, 18:13, 02 Дек 2019, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.
Студент Политехнической школы Лозанны (EPFL) разгадал тайну, которая озадачивала ученых на протяжении 100 лет. Он обнаружил, почему пузырьки газа в узких вертикальных трубках, кажется, остаются застрявшими, а не поднимаются вверх. Согласно его исследованиям и наблюдениям, вокруг пузыря образуется ультратонкая пленка жидкости, препятствующая его свободному подъему. И он обнаружил, что на самом деле пузыри совсем не застряли — они просто очень, очень медленно движутся.
Пузырьки воздуха в стакане воды свободно всплывают на поверхность, и механизмы, лежащие в основе этого, легко объясняются основными законами науки. Однако те же законы науки не могут объяснить, почему пузырьки воздуха в трубе толщиной в несколько миллиметров не поднимаются подобным же образом.
Физики впервые наблюдали это явление почти сто лет назад, но не смогли найти объяснения — теоретически пузыри не должны встречать никакого сопротивления, если жидкость не находится в движении — таким образом застрявший пузырь не должен встречать сопротивления.
Еще в 1960-х годах ученый по имени Бретертон разработал формулу, основанную на форме пузырьков, чтобы объяснить это явление. С тех пор другие исследователи постулировали, что пузырь не поднимается из-за тонкой пленки жидкости, которая образуется между пузырьками и стенкой трубки. Но эти теории не могут полностью объяснить, почему пузыри не поднимаются вверх.
Будучи студентом бакалавриата в лаборатории «Инженерная механика мягких интерфейсов» (EMSI) в Школе инженерии EPFL, Вассим Дхауади смог не только рассмотреть тонкий слой жидкости, но и измерить его и описать его свойства — то, чего никогда не было сделано до. Его результаты показали, что пузыри не застревали, как думали ученые, но на самом деле двигались вверх крайне медленно. Исследование Дхауади, которое было недавно опубликовано в Physical Review Fluids, ознаменовало первый случай получения экспериментальных данных для проверки более ранних теорий.
Для измерения пленки был использован оптический интерференционный метод. Толщина ее составила всего несколько десятков нанометров (1 x 10-9 метров). Метод включал направление света на воздушный пузырь внутри узкой трубки и анализ интенсивности отраженного света. Используя интерференцию света, отраженного от внутренней стенки трубки и от поверхности пузыря, удалось точно измерить толщину пленки.
Дхауади также обнаружил, что пленка меняет форму, если к пузырю прикладывается тепло, и возвращается к своей первоначальной форме, когда тепло отводится.
«Это открытие опровергает самые последние теории о том, что пленка опустится до нулевой толщины», — говорит профессор Джон Колински.
Эти измерения также показывают, что пузыри на самом деле движутся, хотя и слишком медленно, чтобы быть видимыми человеческим глазом.
«Поскольку пленка между пузырьком и трубкой очень тонкая, она создает сильное сопротивление потоку, резко замедляя подъем пузырьков», — считает Колински.
Полученные результаты относятся к фундаментальным исследованиям, но могут быть использованы для изучения механики жидкости в нанометрическом масштабе, особенно для биологических систем.
