Сальто воздушных пузырьков поможет очистить поверхность от грязи

Американские физики обнаружили необычный эффект при столкновении воздушного пузырька, поднимающегося в жидкости вверх, с наклонной пластиной. При определенном угле наклона и радиусе пузырьков, последние совершают сальто назад вместо того, чтобы двигаться вверх вдоль поверхности. Ученые провели моделирование и поняли, что за возникновение эффекта ответственно взаимодействие ударившегося пузырька со своим собственным кильватерным следом. Они показали, что это явление может быть использовано для повышения эффективности методов пузырьковой очистки поверхностей от грязи. С исследованием можно ознакомиться по препринту, а также ролику на Youtube.

Первые законы и представления о столкновениях появились еще в XVII веке благодаря трудам Ньютона, Рена, Гюйгенса и других физиков и математиков. Простейшая ситуация соответствует упругим столкновениям тел, когда полная поступательная кинетическая энергия достаточно малых тел сохраняется. В случае, когда речь идет о шаре, приближающемся к стене, угол падения равен углу сохранения. В повседневном опыте такая ситуация встречается довольно редко, поскольку большинство столкновений неупругие, а сами тела недостаточно малы. Тем не менее, даже если угол отражения отличается от угла падения, они находятся по разные стороны от нормали к поверхности за исключением ситуации, когда мяч сильно закручен.

Столкновения воздушных пузырьков в жидкости с различными поверхностями принципиально неупругие. Этот процесс довольно активно изучают, поскольку его понимание способно улучшить методы очистки поверхностей, основанные на их бомбардировке пузырьками. При этом довольно мало работ посвящено столкновению пузырьков с наклонными поверхностями.

Чтобы закрыть эти пробелы Алиреза Хушангинеджад (Alireza Hooshanginejad) и его коллеги из Корнеллского университета исследовали то, как пузырьки воздуха, поднимающиеся в воде, взаимодействуют со стеклянной пластиной, расположенной под различными углами. Снимая это на скоростную камеру, ученые обнаружили, что при некоторых геометрических параметрах пузырьки после первого отскока делали петлю в сторону, противоположную своему естественному движению. Другими словами, итоговый угол отражения от пластины становился отрицательным. Авторы выяснили, что такое сальто назад возникает из-за взаимодействия ударившегося пузырька со своим собственным кильватерным потоком и может быть полезно при очистке поверхностей.

В своем опыте физики размещали самодельную иглу с 3D-печатным креплением и трубками, соединенными с насосом, на дне аквариума, заполненного деионизованной водой. Игла могла создавать равномерный поток пузырьков различного радиуса, которые, поднимаясь вверх с постоянной скоростью, ударялись о закрепленную на штативе стеклянную пластину. Авторы наблюдали сальто для небольших значений углов наклона пластины (не более 20 градусов) и узком диапазоне радиусов пузырей (от 0,6 до 0,7 миллиметра). Они выделяли сильный эффект, при котором второе соударение после отскока происходило ниже первого, и слабый — в котором оно происходило выше.

Предполагая, что сальто вызвано гидродинамическими причинами, ученые заполняли бассейн стеклянными частичками диаметром 10 микрометров и освещали аквариум сбоку лазерным светом. Это позволяло визуализировать потоки, утягивающие частицы, и даже проводить их точную велосиметрию. Эксперимент показал, что отраженный пузырек делает петлю в том случае, если он проходит в близи своего собственного кильватерного потока, который он оставляет до соударения.

Для того, чтобы лучше понять происходящее, ученые построили математическую модель. Сначала они смоделировали цилиндрически симметричный кильватерный поток от подлетающего пузыря, на основе чего получили формулу для подъемной силы, действующей на отскочивший пузырь к центру потока. Затем они решили динамическую задачу для пузырька, на который помимо подъемной силы действует плавучая сила и сила сопротивления. Для характеризации сальто физики использовали три параметра: расстояние между первым и вторым столкновениями с пластиной (отрицательное в случае сильного сальто), высота отскока и ширина петли. Зависимости всех трех параметров от угла и радиуса пузырей оказались в отличном согласии с теорией за исключением последней из них для 0,7 миллиметра, что авторы связали это с эффектами деформации пузырей, которые растут с ростом их размеров.

На последнем этапе своей работы физики решили доказать, что сальто пузырьков может быть полезно в технологиях очистки поверхностей. В этих методах очистка происходит за счет соударений с грязью, следовательно, сальто назад дает один лишний удар. Авторы пачкали пластины белковыми растворами и чистили их под разными углами 15 минут со скоростью в 20 пузырей в минуту. Зависимость степени очистки от параметров продемонстрировала максимум при трех градусах наклона и 0,7 миллиметра радиуса, что соответствовала максимально сильному сальто, измеренному на предыдущем этапе эксперимента.

Ранее мы уже рассказывали, как пузырьки с воздухом оказались ответственными за звук падения капель и помогли сделать акустический манипулятор сильнее.

Марат Хамадеев