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:

Клетки щеки показали спешку биологических часов у детей с аутизмом

Американские исследователи разработали «эпигенетические часы», которые измеряют биологический возраст человека по степени метилирования ДНК в клетках щеки. Этот метод создали специально для детей и подростков, у которых «взрослые» часы метилирования, осно
Подробнее »»

Как снизить внутриглазное давление

Нормальное давление циркулирующей внутриглазной жидкости должно находиться в пределах 9-22 мм ртутного столба.
Подробнее »»

Как научиться не нервничать?

Как научиться держать себя в руках, не давая эмоциям портить вам настроение и разрушать отношения с близкими?
Подробнее »»

Все на лице: пять сигналов о нехватке витамина D

Когда дни становятся все короче и пасмурнее, уровень витаминов и минералов в организме начинает снижаться.
Подробнее »»

Почему мужчинами легко манипулировать 

Во все века были женщины, умеющие управлять мужчинами с такой легкостью, что все вокруг только диву давались.
Подробнее »»

Читайте также:
18.10 - 21:15

Горячая ванна при простуде

Некоторые врачи советуют при простудных заболеваниях принимать горячую ванну, другие же настоятельно рекомендуют воздержаться от водных процедур во время болезни.
Подробнее »»

18.10 - 20:55

Что применять беременным при температуре

Беременность - один из самых прекрасных периодов в жизни женщины.
Подробнее »»

18.10 - 20:36

Медики назвали основные причины рака груди

Наследственность, чрезмерный загар, курение внесены врачами в список причин, провоцирующих возникновение рака груди.
Подробнее »»

18.10 - 19:50

Лечебные свойства черной бузины

Бузина черная — это кустарник, относящийся к семейству жимолостных.
Подробнее »»

18.10 - 19:41

Городской шум снизил стресс во время размножения у зебровых амадин

Британские ученые обнаружили, что звуки города снижают концентрацию гормонов стресса в крови зебровых амадин.
Подробнее »»

18.10 - 18:44

Как успокоить ночной кашель

Кашель — защитная реакция, с помощью которой организм выводит из дыхательных путей слизь, пыль и другие инородные тела.
Подробнее »»

18.10 - 18:27

5 бьюти-средств, которые используются неправильно

Любую косметику надо использовать правильно.
Подробнее »»

18.10 - 17:35

Горечь во рту: симптомы и лечение

Как только в работе нашего организма происходит какой-то сбой, он тотчас сигнализирует нам об этом.
Подробнее »»

18.10 - 17:26

Какое нижнее белье стоит выбрать для первого свидания

Давайте будем откровенны, каждый день ходить в кружевном белье, не так чтобы удобно.
Подробнее »»

18.10 - 16:33

Эксперты предупредили о первых признаках тромбоза

Мало кто думает о том, что ему грозит тромбоз, и потому редко обращает внимание на симптомы, которые могут предвещать опасный для жизни процесс.
Подробнее »»

18.10 - 16:28

Уникальная ягода - голубика

Голубика — это небольшой кустарник с плодами черного цвета, относящийся к семейству вересковых.
Подробнее »»

18.10 - 15:34

Горбатые киты загнали рыбу себе в пасть грудными плавниками

Морские биологи сняли на видео неизвестную ранее тактику охоты двух горбатых китов, говорится в Royal Society Open Science.
Подробнее »»

18.10 - 15:21

Жирные волосы: причины и лечение

Нездоровый блеск волос может появиться уже вскоре после мытья головы, а все дело в повышенной продукции секрета сальных желез, деятельность которых по определенным причинам нарушается и выделяет слишком много кожного сала, придающего волосам лоснящийся и
Подробнее »»

18.10 - 14:25

Опасны для жизни: в лаки для ногтей добавляют высокотоксичные вещества

В лаках для ногтей присутствуют высокотоксичные и потенциально опасные для жизни вещества, добавляемые в них производителями для улучшения характеристик этого косметического продукта. Об этом сообщили российские ученые.
Подробнее »»

18.10 - 14:24

Поясничный остеохондроз: симптомы и лечение

Одной из наиболее частых причин болей в спине является остеохондроз.
Подробнее »»


Загрузка...
Loading...

Справочная информация

Загрузка...