Физики научились правильно выдувать мыльные пузыри

Французские физики из университета Ренна разработали модель, описывающую процесс выдувания мыльных пузырей. Параметрами, влияющими на объем получающихся пузырей, оказались скорость и диаметр сечения потока воздуха, и, в некоторых случаях, размеры каркаса для мыльной пленки. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters, краткое её описание приводит Physics.

Ученые воссоздали в лабораторных условиях увеличенную модель детской игрушки для выдувания мыльных пузырей. Пленка из мыльного раствора различного состава имела метровые размеры, а воздушный поток определенной скорости выдувался из сопла заданного диаметра. Из-за большой площади пленки, вода из верхней её части постоянно стекала вниз, и для поддержания постоянной толщины, физики собирали воду внизу каркаса и с помощью насоса закачивали обратно наверх. Если требовалось увеличить диаметр сечения потока воздуха, ученые просто отодвигали сопло от пленки, и расходящийся по конусу поток, достигая ее, имел уже гораздо больший диаметр.

Результаты множества экспериментов показали, что основным параметром, влияющим на отрыв пузырей, является скорость потока воздуха. Ученые выяснили, что существует пороговое ее значение, после которого становится возможным отрыв пузыря. В момент ее достижения вздутие на пленке становится похожим на полусферу, а при больших величинах процесс отрыва становится «автоматическим».

На объем пузырей оказывает влияние, в первую очередь, не скорость, а размер сечения потока воздуха. Чем он больше, тем крупнее образуется мыльная сфера. При этом для каждого диаметра сечения есть соответствующая ему пороговая скорость потока — чем больше диаметр потока у поверхности пленки, тем меньшая скорость требуется для отрыва от нее пузыря.

Ребенок, выдувая мыльный пузырь, не следит за диаметром потока воздуха, и он может оказаться гораздо больше, чем диаметр каркаса для мыльной пленки. Чтобы протестировать на эксперименте такой случай, физики отодвинули сопло на достаточное расстояние от каркаса. Оказалось, что даже сложная структура турбулентных течений в потоке практически не оказывает влияние на образующийся пузырь: существенным остается лишь его диаметр, а турбулентность влияет опосредованно, через уширение потока. Причем, если он становится больше размера каркаса, объем пузыря определяется диаметром каркаса.

К удивлению авторов, процесс выдувания мыльного пузыря до сих пор не был изучен в деталях. Несмотря на кажущуюся простоту этого исследования, оно имеет потенциал практического применения. Понимание причин, влияющих на образование пузырей, оказывается критически важным в таких областях, как производство стекол, создание контролируемой пены в строительстве, бытовой и пищевой промышленности, и даже в космологической теории пузырей «настоящего» вакуума.