Пузырь (физика)

Пузырь – это глобула газового вещества в жидкости. В противоположном случае глобула жидкости в газе называется каплей . ^[1] Благодаря эффекту Марангони пузырьки могут оставаться неповрежденными, когда достигают поверхности иммерсивного вещества.

Общие примеры

Пузыри можно увидеть во многих местах повседневной жизни, например:

Как самопроизвольное зародышеобразование пересыщенного углекислого газа в безалкогольных напитках
Как пар в кипящей воде
Когда воздух смешивается с взволнованной водой, например, под водопадом.
Как морская пена
Как мыльный пузырь
Как выделяется в химических реакциях, например, пищевая сода + уксус.
Как газ, попавший в стекло при его производстве
Как индикатор в ватерпасе

Физика и химия

Пузырьки формируются и сливаются в шаровидные формы, потому что эти формы находятся в более низком энергетическом состоянии. О физике и химии, лежащих в основе этого, см. Зародышеобразование .

Появление

Пузырьки видны, потому что у них другой показатель преломления (RI), чем у окружающего вещества. Например, RI воздуха составляет примерно 1,0003, а RI воды примерно 1,333. Закон Снеллиуса описывает, как электромагнитные волны меняют направление на границе раздела двух сред с различным RI; таким образом, пузырьки можно идентифицировать по сопутствующему преломлению и внутреннему отражению, даже если как погруженная, так и погружающая среда прозрачны.

Приведенное выше объяснение справедливо только для пузырьков одной среды, погруженных в другую среду (например, пузырьков газа в безалкогольном напитке); объем мембранного пузыря (например, мыльного пузыря) не сильно искажает свет, и мембранный пузырь можно увидеть только за счет в тонкой пленке дифракции и отражения .

Приложения

Нуклеацию можно вызвать намеренно, например, для создания пузырьковой диаграммы в твердом теле.

При медицинской ультразвуковой визуализации небольшие инкапсулированные пузырьки, называемые контрастным веществом для усиления контраста используются .

При термоструйной печати в качестве приводов используются пузырьки пара. Иногда они используются в других микрофлюидики в качестве приводов. приложениях ^[2]

Сильное схлопывание пузырьков ( кавитация ) вблизи твердых поверхностей и возникающая в результате падающая струя представляют собой механизм, используемый при ультразвуковой очистке . Тот же эффект, но в большем масштабе, используется в фокусированном энергетическом оружии, таком как базука и торпеда . Креветки-пистолеты также используют в качестве оружия схлопывающийся кавитационный пузырь. Тот же эффект применяют для лечения камней в почках в литотриптере . Морские млекопитающие, такие как дельфины и киты, используют пузыри для развлечения или в качестве инструментов охоты. Аэраторы вызывают растворение газа в жидкости путем впрыскивания пузырьков.

Пузырьки используются химиками и металлургами инженерами- в таких процессах, как дистилляция, абсорбция, флотация и распылительная сушка. Сложные процессы часто требуют учета массо- и теплопереноса и моделируются с использованием гидродинамики . ^[3]

Звездоносый крот и американская водяная землеройка могут чувствовать запах под водой, быстро дыша через ноздри и создавая пузырь. ^[4]

Исследования происхождения жизни на Земле показывают, что пузырьки, возможно, играли важную роль в удержании и концентрации молекул-предшественников жизни — функцию, которую в настоящее время выполняют клеточные мембраны . ^[5]

Пузырьковые лазеры используют пузырьки в качестве оптического резонатора. Их можно использовать в качестве высокочувствительных датчиков давления. ^[6]

Пульсация

Когда пузырьки потревожены (например, когда пузырь газа вводится под воду), стенка колеблется. Хотя это часто визуально маскируется гораздо большими деформациями формы, часть колебаний изменяет объем пузырька (т. е. это пульсация), которая в отсутствие внешнего звукового поля возникает на собственной частоте пузырька . Пульсация является наиболее важной составляющей колебаний с акустической точки зрения, поскольку, изменяя объем газа, она меняет его давление и приводит к излучению звука на собственной частоте пузырька. Что касается пузырьков воздуха в воде, то крупные пузырьки (незначительные поверхностное натяжение и теплопроводность ) испытывают адиабатические пульсации, а это означает, что тепло не передается ни от жидкости к газу, ни наоборот. Собственная частота таких пузырьков определяется уравнением: ^[7]^[8]

f_{0}={1 \over 2\pi R_{0}}{\sqrt {3\gamma p_{0} \over \rho }}

где:

$\gamma$ это удельная теплоемкость газа
$R_{0}$ - устойчивого состояния радиус
$p_{0}$ это установившееся давление
$\rho$ - массовая плотность окружающей жидкости

В случае пузырьков воздуха в воде более мелкие пузырьки испытывают изотермические пульсации. Соответствующее уравнение для маленьких пузырьков с поверхностным натяжением σ (и пренебрежимо малой вязкостью жидкости ) имеет вид ^[8]

f_{0}={1 \over 2\pi R_{0}}{\sqrt {{3p_{0} \over \rho }+{4\sigma  \over \rho R_{0}}}}

Возбуждённые пузырьки, оказавшиеся под водой, являются основным источником звуков жидкости , например, внутри наших костяшек пальцев во время хруста костяшками пальцев. ^[9] и когда дождя капля ударяется о поверхность воды. ^[10]^[11]

Физиология и медицина

Повреждение тканей организма в результате образования и роста пузырьков — механизм декомпрессионной болезни , возникающий при выходе перенасыщенных растворенных инертных газов из раствора в виде пузырьков при декомпрессии . Повреждение может быть вызвано механической деформацией тканей из-за роста пузыря на месте или закупоркой кровеносных сосудов , в которых застрял пузырь.

Артериальная газовая эмболия может возникнуть, когда газовый пузырь попадает в систему кровообращения и застревает в кровеносном сосуде, который слишком мал для того, чтобы он мог пройти через него при имеющейся разнице давлений. Это может произойти в результате декомпрессии после гипербарического воздействия, травмы перерасширения легких , при внутривенном введении жидкости или во время хирургического вмешательства .

См. также

Ссылки

^ Субраманиан, Р. Шанкар; Баласубраманиам, Р. (9 апреля 2001 г.). Движение пузырьков и капель в условиях пониженной гравитации . Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780521496056 .
^ Р. Дж. Дейкинк, Дж. П. ван дер Деннен, К. Д. Оль, А. Просперетти , «Акустический гребешок»: привод с пузырьковым приводом , J. Micromech. Микроинж. 16 1653 (2006)
^ Вебер; и др. (1978). Пузыри, капли и частицы . Нью-Йорк: Dover Publications. ISBN 978-0-486-44580-9 .
^ Роксана Хамси. «Звездоносый крот может нюхать воду, как показывают видео» .
^ Уиткомб, Изобель (6 августа 2019 г.). «Ключ к возникновению жизни? Пузыри, утверждает новое исследование» . ЖиваяНаука . Проверено 8 января 2022 г.
^ Миллер, Джоанна. «Пузырьковые лазеры могут быть прочными и чувствительными» . Физика сегодня . Американский институт физики . Проверено 2 апреля 2024 г.
^ Миннарт, Марсель, О музыкальных пузырьках воздуха и звуках текущей воды, Фил. Маг. 16, 235–248 (1933).
^ Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б Лейтон, Тимоти Г., Акустический пузырь (Academic, Лондон, 1994).
^ Чандран Суджа, В.; Баракат, А.И. (29 марта 2018 г.). «Математическая модель звуков, издаваемых при щелканье костяшками пальцев» . Научные отчеты . 8 (1): 4600. Бибкод : 2018NatSR...8.4600C . дои : 10.1038/s41598-018-22664-4 . ISSN 2045-2322 . ПМК 5876406 . ПМИД 29599511 .
^ Просперетти, Андреа; Огуз, Хасан Н. (1993). «Воздействие капель на жидкие поверхности и подводный шум дождя». Ежегодный обзор механики жидкости . 25 : 577–602. Бибкод : 1993АнРФМ..25..577П . дои : 10.1146/annurev.fl.25.010193.003045 .
^ Рэнкин, Райан К. (июнь 2005 г.). «Пузырьковый резонанс» . Физика пузырей, антипузырей и всего такого . Проверено 9 декабря 2006 г.

[1] Субраманиан, Р. Шанкар; Баласубраманиам, Р. (9 апреля 2001 г.). Движение пузырьков и капель в условиях пониженной гравитации . Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780521496056 .

[2] Р. Дж. Дейкинк, Дж. П. ван дер Деннен, К. Д. Оль, А. Просперетти , «Акустический гребешок»: привод с пузырьковым приводом , J. Micromech. Микроинж. 16 1653 (2006)

[3] Вебер; и др. (1978). Пузыри, капли и частицы . Нью-Йорк: Dover Publications. ISBN 978-0-486-44580-9 .

[4] Роксана Хамси. «Звездоносый крот может нюхать воду, как показывают видео» .

[5] Уиткомб, Изобель (6 августа 2019 г.). «Ключ к возникновению жизни? Пузыри, утверждает новое исследование» . ЖиваяНаука . Проверено 8 января 2022 г.

[miller-6] Миллер, Джоанна. «Пузырьковые лазеры могут быть прочными и чувствительными» . Физика сегодня . Американский институт физики . Проверено 2 апреля 2024 г.

[7] Миннарт, Марсель, О музыкальных пузырьках воздуха и звуках текущей воды, Фил. Маг. 16, 235–248 (1933).

[Leighton-8] Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б Лейтон, Тимоти Г., Акустический пузырь (Academic, Лондон, 1994).

[9] Чандран Суджа, В.; Баракат, А.И. (29 марта 2018 г.). «Математическая модель звуков, издаваемых при щелканье костяшками пальцев» . Научные отчеты . 8 (1): 4600. Бибкод : 2018NatSR...8.4600C . дои : 10.1038/s41598-018-22664-4 . ISSN 2045-2322 . ПМК 5876406 . ПМИД 29599511 .

[10] Просперетти, Андреа; Огуз, Хасан Н. (1993). «Воздействие капель на жидкие поверхности и подводный шум дождя». Ежегодный обзор механики жидкости . 25 : 577–602. Бибкод : 1993АнРФМ..25..577П . дои : 10.1146/annurev.fl.25.010193.003045 .

[11] Рэнкин, Райан К. (июнь 2005 г.). «Пузырьковый резонанс» . Физика пузырей, антипузырей и всего такого . Проверено 9 декабря 2006 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]