Jak opisać pękanie baniek?
Czy uważna obserwacja pękających baniek mydlanych może przynieść ważne wnioski dla nauki? Okazuje się, że proces, który za tym stoi jest bardziej uniwersalny, a jego szczegółowe poznanie może przynieść korzyści wielu dyscyplinom, od oceanografii po badania atmosferyczne. Dziwić może, że nauka dochodzi do poznania tego zjawiska dopiero teraz, okazuje się jednak, że wcale nie jest to proste zjawisko.
Pękające bańki kojarzą nam się najczęściej z dziecięcą zabawą. Z powodu tego skojarzenia spodziewamy się, że jako proces fizyczny jest to błahe, proste do opisania zjawisko. Gdyby jednak dziecko zapytało swojego rodzica, dlaczego bańka pęka, ten mógłby mieć kłopot z fachowym wyjaśnieniem. Gdyby rodzicem był fizyk lub matematyk, dziecko mogłoby spędzić kolejną godzinę słuchając poważnego wykładu.
Długo zjawisko to nie było w ogóle wyjaśnione. Uważano, że po pęknięciu bańka po prostu staje się na nowo częścią cieczy, z której powstała. Dopiero w 2010 roku badacze na Uniwersytecie Harvarda za pomocą superszybkiej kamery zarejestrowali i opisali przebieg tego zjawiska. Okazuje się, że w trakcie pękania na powierzchni bańki powstaje szereg bardzo małych baniek, które znów mogą podzielić się na kolejne. Powrót do postaci płynnej jest dłuższy niż wcześniej przypuszczano i częściowo następuje dopiero po całkowitym pęknięciu. Udało się też określić czynniki, jakie decydują o przebiegu procesu pękania: napięcie powierzchniowe błony bańki, właściwości inercyjne cieczy i ciśnienie gazu wewnątrz bańki. Te same fizyczne podstawy niezależnie od materiału, z jakiego powstała bańka – działają wobec zwykłych baniek mydlanych i wobec takich, które powstają z oleju albo nawet jeszcze gęstszych cieczy.
Teraz naukowcy postąpili o kolejny krok dalej w zrozumieniu tego zjawiska, opracowując matematyczną formułę, która opisuje proces, jaki zachodzi, kiedy bańka pęka w pewmej specyficznej sytuacji - wydobywając się na powierzchnię cieczy. Raczej nie dotyczy to więc baniek mydlanych, ale tego, co dzieje się w oceanach, w przemyśle i w restauracjach na powierzchni gazowanego napoju. Kiedy bańka pęka na płynnej powierzchni, jej zapadnięcie się wywołuje fale kapilarne, czyli dobrze znane rozchodzące się po okręgu tak zwane "zmarszczki". Badacze ustalili, że zarówno pęknięciem błony, jak i siłą wyrzutu cieczy, która następuje po rozpadnięciu się bańki kieruje niewymierna liczba, którą ustala się na podstawie tak zwanej bezwładności kapilarnej i sił wynikających z kleistości danej cieczy.
Wyrzucone bańki przyjmują formę aerozoli. Możemy je obserwować nad każdą powierzchnią, z której wydobywają się pękające bańki – od tafli morza po kieliszek musującego wina. Ponieważ aerozole mają istotne znaczenie w różnych środowiskach, przede wszystkim wodnych i powietrznych, to zrozumienie warunków, w jakich powstają jest przez wielu badaczy odnotowane jako znaczące.
– Pękanie baniek jest naturalnym i powszechnym zjawiskiem – mówi Luc Deike, profesor mechaniki i inżynierii lotnictwa w Princeton Environmental Institute, członek zespołu badawczego, który opracował formułę. – Umiejętność lepszego przewidywania dynamiki tego zjawiska przyniesie praktyczne korzyści w tak ważnych zakresach jak klimat czy ludzkie zdrowie.
Źródło badań: Ching-Yao Lai i in.: Bubble Bursting: Universal Cavity and Jet Profiles, „Physical Review Letters” (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.144501
Opracowano na podstawie artykułu Math describes how bubbles pop opublikowanego na portalu phys.org i innych źródeł.
