Fizycy rzucają światło na to, jak wilgotność wpływa na zjawisko w piankach

Cosmic Quandaries with Dr. Neil deGrasse Tyson (Lipiec 2019).

Anonim

Niezależnie od tego, czy pijesz piwo, jesz lody czy zmywasz naczynia, można śmiało powiedzieć, że wiele osób natrafia na pianę na co dzień. To wszystko, od detergentów po napoje i kosmetyki. Poza codziennym życiem ma zastosowanie w takich dziedzinach jak gaszenie pożarów, izolowanie toksycznych materiałów i dystrybucja chemikaliów. Ale wciąż wiele można się dowiedzieć o tym wszechobecnym materiale.

"Pianki to idealne, przypadkowe, chaotyczne materiały natury" - powiedział Douglas Durian, profesor fizyki w School of Arts and Sciences na University of Pennsylvania. "Uporządkowane bryły, materiały o krystalicznej strukturze pod spodem, są łatwe do opisania, gdzie nie wiemy wiele, ale wciąż się uczymy, są w układach, które są nieuporządkowane i dalekie od równowagi, i to jest do T. Możesz możliwe jest wykonanie zamówionej pianki poprzez dmuchanie pojedynczych bąbelków o tym samym rozmiarze i układanie ich jak kule armatnie, ale byłbyś zobowiązany do popełnienia drobnego błędu: jeśli jedna bańka jest nieskończenie mniejsza niż cała reszta, będzie pod wyższym ciśnieniem, i zacznie się kurczyć, naturalnie ewoluuje do tego nieuporządkowanego stanu, w którym jest polidyspersyjny i jest po prostu wspaniały. "

Ponieważ pianki są często używane w przemyśle, osiągnięcie lepszego zrozumienia materiału pozwoli ludziom kontrolować jego stabilność, manipulując nim, aby mógł dłużej wykonywać swoją funkcję. Mogłoby to również zdestabilizować go i zapobiec jego pojawianiu się w niepożądanych miejscach. Na przykład, gdy trzeba przetwarzać ciecze w przemyśle, szybkość, z jaką to robi jest ograniczona przez pienienie.

Oglądając film poklatkowy quasi-dwuwymiarowej piany, można zauważyć, że zmienia się on z upływem czasu, poszczególne bąbelki zmieniają się powoli. Ostatecznie średnia wielkość pęcherzyków w piance rośnie, zjawisko to nazywa się zgrubieniem. Takie zgrubienie zapewnia piance sposób na pozbycie się powierzchni. Durian i Cody Schimming, major fizyki Penn, a obecnie absolwent University of Minnesota, opublikowali artykuł w Physical Review E, który bada, w jaki sposób stopień wilgotności pianki wpływa na to zjawisko.

Aby to zrozumieć, można pomyśleć o mieszaninie wody z mydłem. Jeśli ktoś wytryska odrobinę szamponu lub detergentu w butelce z wodą z kilkoma kroplami żółtego barwnika spożywczego i wstrząśnie nim, butelka szybko zapełni się pianką.

"Jeśli przyjrzysz się temu uważnie", powiedział Durian, "zobaczysz, że małe bąbelki są bardzo rzadkie i suche, a ich rodzaj wielościenny jest na górze, a gdy zejdziesz na dół, zobaczysz więcej kolorów, ponieważ jest w nich więcej płynu. Zauważysz również, że bąbelki w miejscach, w których są bardziej żółte, są w rzeczywistości okrągłe, więc zaczynają się zacinać, a wielościenne są zasadniczo nie zakorkowane i sferyczne w pobliżu dna.

Zamknięta pianka będzie sucha i delikatna w kierunku wierzchołka, składająca się z małych patyków, zwanych granicami płaskowyżu, gdzie spotykają się trzy filmy. Gdy piana staje się bardziej mokra w kierunku dna, patyki te stają się grubsze, dopóki nie staną się sferyczne. Ta gradacja struktury, powiedział Durian, jest taka sama, niezależnie od tego, co jest w piance lub wielkości pęcherzyków.

W miarę upływu czasu coraz więcej cieczy gromadzi się na dnie butelki. Istnieją trzy różne mechanizmy, które powodują rozdzielenie gazu i cieczy. Jednym z nich jest pęknięcie filmu lub pęknięcie baniek. Ponieważ proces ten jest spowodowany parowaniem, nie pojawi się w zamkniętej butelce. Drugi mechanizm to drenaż grawitacyjny: grawitacja ściąga ciecz, a bąbelki w górę. To właśnie powoduje separację w butelce.

Ale możliwe byłoby wyeliminowanie grawitacyjnego drenażu, gdyby pianka została umieszczona w środowisku mikrograwitacji, takim jak na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. W takim przypadku grubowanie staje się sprawcą, ponieważ gaz dyfunduje od małych pęcherzyków wysokociśnieniowych do większych pęcherzyków o niższym ciśnieniu.

"To, co ludzie zwykli zakładać" - powiedział Durian - "było tym, że te granice na Plateau całkowicie zablokowałyby dyfuzję gazu, i że dyfuzja gazu przejdzie tylko przez okna mydlanych filmów." Co zrobił Cody, to faktycznie rozwiązał równanie dyfuzyjne numerycznie do dowiedzieć się, co dzieje się w granicach tego płaskowyżu.Możesz odgadnąć, że prąd dyfuzyjny gazu przez granice płaskowyżu jest proporcjonalny do odwrotności ich grubości, a zatem jest pomijalnie mały, ale Cody pokazał, że jest on faktycznie proporcjonalny do odwrotności kwadratu pierwiastek z grubości granicznej i grubości powłoki, ponieważ filmy są tak cienkie, że prąd gazu przekraczającego granicę jest znacznie większy, niż zakładano. "

Naukowcy zastosowali to, co odkryli, do prawa dotyczącego tempa zmian w obszarze bąbelków przez matematyka i fizyka Johna von Neumanna. Zgodnie z prawem von Neumanna tempo zmiany powierzchni jest równe liczbie boków minus sześć. Można się spodziewać, że szybkość wymiany gazu z sąsiadami zależy od rzeczy takich jak rozmiar i kształt, ale zgodnie z prawem von Neumana topologia jest jedyną ważną rzeczą. W swoich artykułach Durian i Schimming ponownie przeanalizowali tę argumentację i włączyli to, czego dowiedzieli się o blokowaniu granic i przekraczaniu granicy, aby zobaczyć, jak to się zmienia.

"Istnieją te trzy mechanizmy i próbujemy zrozumieć podstawy ich działania" - powiedział Durian. "Mamy dobre wyobrażenie z prawa von Neumanna na temat topnienia się pianek suchych.. Prawo von Neumanna odnosi się tylko do tego idealnego limitu, że jest zero cieczy, ale żadne pianki nie są matematycznie suche, prawdziwe pianki mają w sobie dużo płynu, więc wszystkie mechanizmy te ulegają zmianie w pewien kluczowy sposób, a my staramy się dowiedzieć, jak to działa.Jeśli potrafisz zrozumieć podstawy, to powinna być możliwa poprawa wszystkich tych aplikacji, w których tak ważne jest, aby dokładnie kontrolować jak szybko odbywa się zgrubienie. "

Durian powiedział, że lubi studiować pianki, ponieważ w przeciwieństwie do innych systemów z dala od równowagi, historia przygotowań nie ma znaczenia.

"Mogę wytworzyć pianę w jakikolwiek stary sposób i jeśli poczekam przez jakiś czas, to wymazuję jej historię", powiedział. "Ma swoją własną ewolucję, która doprowadza nas do tego odtwarzalnego stanu, więc jest to sposób na uzyskanie nieuporządkowanego materiału, który jest doskonale odtwarzalny." Uwielbiam również to, że fizyka jest kontrolowana przez geometrię, które są minimalnymi powierzchniami o stałej krzywizny. zasady topologii dla tego, jak filmy są połączone, więc geometria i topologia mikrostruktury jest regulowana przez piękną matematykę, niezależnie od wielkości pęcherzyka lub składu chemicznego, są po prostu cudownymi idealnymi przypadkowymi materiałami do przemyślenia. "

menu
menu