อะไรทำให้ฟองสบู่แตก? สำหรับฟองอากาศบนพื้นผิวของของเหลวหนืด เช่น สีหรือลาวา นิ้วแห่งการตำหนิได้ชี้ไปที่แรงโน้มถ่วงเป็นเวลานาน อย่างไรก็ตาม นักวิจัยที่นำโดยJames Birdจากมหาวิทยาลัยบอสตันในสหรัฐอเมริกาได้เปลี่ยนแนวคิดนี้อย่างแท้จริง โดยใช้อุปกรณ์ทดสอบฟองแบบกลับหัวเพื่อแสดงให้เห็นว่าแรงตึงผิว ไม่ใช่แรงโน้มถ่วง เป็นข้อบกพร่อง
ผลลัพธ์ของพวกเขามีความหมายต่อกระบวนการทางอุตสาหกรรม
เช่น การผลิตแก้วและการพ่นสี และอาจกระทั่งให้ความกระจ่างต่อการแตกของละอองลอยในระบบทางเดินหายใจ ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่มีนัยสำคัญอย่างยิ่งเนื่องจากการแพร่ระบาดของโควิด-19
เมื่อฟองอากาศลอยขึ้นสู่พื้นผิวของของเหลว โดยทั่วไปแล้วจะสร้างฟิล์มบาง ของเหลว รูปโดมที่รองรับโดยก๊าซที่ติดอยู่ข้างใน เมื่อฟิล์มนี้เกิดรูขึ้น แรงตึงผิวจะทำให้ฟิล์มหดกลับเข้าไปอีก และฟองสบู่จะแตกออก
สำหรับของเหลวที่มีความหนืดต่ำและมีน้ำมูกไหล กระบวนการระเบิดจะสิ้นสุดลงภายในเวลาไม่กี่วินาที ในของเหลวข้นหนืดจะใช้เวลานานขึ้น แต่ฟิล์มจะยุบลงเมื่อรูเปิดแทบไม่ออก เหตุผลก็คือทันทีที่หลุมก่อตัว ก๊าซที่ติดอยู่ก็สามารถหนีออกจากฟองสบู่ได้ หากปราศจากการรองรับของก๊าซนี้ แรงบนฟิล์มของเหลวจะไม่สมดุล ทำให้ฟองสบู่ยุบตัวและเกิดรอยย่นในแนวรัศมีรอบขอบของฟองสบู่ เหมือนกับสิ่งที่เกิดขึ้นในแผ่นยางยืดหรือร่มชูชีพ
ใช้ประโยชน์จากการไหลที่ช้ามาก
จนถึงขณะนี้ นักวิทยาศาสตร์คิดว่าน้ำหนักของฟิล์มเหลวบาง ๆ มีส่วนรับผิดชอบต่อการยุบตัวของฟองสบู่และการเกิดรอยยับในแนวรัศมี ซึ่งบ่งชี้ว่าแรงโน้มถ่วงเป็นปัจจัยหลักเบื้องหลังการระเบิดของฟองที่มีความหนืด
เบิร์ดและเพื่อนร่วมงานได้เริ่มทดสอบสมมติฐานนี้โดยการฉีดฟองอากาศเข้าไปในน้ำมันซิลิโคนที่มีความหนืดและถ่ายการยุบตัวของฟองด้วยกล้องความเร็วสูง การทดลองครั้งแรกของพวกเขามีจุดมุ่งหมายเพื่อจำลองวิธีการศึกษาการยุบตัวของฟองที่มีความหนืดในอดีต เมื่อพวกเขาทำสำเร็จแล้ว พวกเขาทำสิ่งที่แตกต่างออกไป: พวกเขาเปลี่ยนการวางแนวของฟองที่สัมพันธ์กับแรงโน้มถ่วง เบิร์ดกล่าวว่าสิ่งนี้เป็นไปได้เนื่องจากของเหลวทดสอบมีความหนืดสูง “เราใช้ประโยชน์จากการไหลที่ช้ามากนี้โดยการเตรียมฟองให้อยู่ในตำแหน่งตั้งตรง จากนั้นจึงพลิกกลับอย่างรวดเร็ว เจาะอย่างรวดเร็วก่อนที่มันจะสามารถปรับรูปร่างของมันใหม่ได้อย่างมีนัยสำคัญ” เขาอธิบาย
ในการทดลองแบบกลับหัวกลับหางเหล่านี้ นักวิจัยได้เปลี่ยนความหนาของฟิล์มและความหนืดของของเหลว ในขณะเดียวกันก็ให้อากาศภายในฟองหลุดออกมาโดยไม่ทำให้ฟิล์มแตก ผลลัพธ์ของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าแรงโน้มถ่วงมีบทบาทเพียงเล็กน้อยในการยุบตัวของฟองสบู่ แต่เป็นแรงตึงผิวและความเค้นแบบไดนามิกของของเหลวที่สร้างฟองซึ่งเป็นตัวขับเคลื่อนหลักของพฤติกรรมฟองหนืด ซึ่งรวมถึงการเกิดริ้วรอยที่ไม่เสถียร
ความสัมพันธ์อันละเอียดอ่อนของกองกำลัง
การค้นพบนี้น่าตื่นเต้น Bird กล่าว เพราะมันแสดงให้เห็นว่าแรงดังกล่าวยังมีบทบาทในสถานการณ์ที่อาจถูกมองข้ามไป ตัวอย่างเช่น ในระดับขนาดเล็กโดยเฉพาะ และสำหรับทิศทางของฟองอากาศหลายทิศทาง นอกจากนี้ยังเป็นสิ่งสำคัญเนื่องจากช่วยแก้ไขความขัดแย้งที่มีมายาวนาน: ในขณะที่แรงตึงผิวโดยปกติจะทำให้รอยย่นเรียบขึ้น ในกรณีนี้ก็เริ่มต้นขึ้นด้วย
“มันเกิดจากการทำงานร่วมกันที่ละเอียดอ่อนของแรงของเส้นเลือดฝอย ความหนืด และแรงเฉื่อยที่ทำให้เกิดริ้วรอย” เขาบอกกับPhysics World “อันที่จริง เราใช้เวลาหนึ่งวันในการแสดงว่าแรงตึงผิวมีส่วนทำให้เกิดริ้วรอย และกว่าทศวรรษที่จะอธิบายอย่างเพียงพอว่าทำไม”
ได้ผลทันท่วงทีนกและเพื่อนร่วมงานกล่าวว่าผลการศึกษาของพวกเขามีความหมายว่าฟิล์มหนืดโค้งเป็นที่แพร่หลาย เนื่องจากของเหลวโดยรอบมีความหนืดสูง (เช่นในกรณีของฟองสบู่ในแก้วหลอมเหลวหรือลาวา) หรือเพราะว่าฟองสบู่มีขนาดเล็ก (เช่น ฟองที่ก่อตัวบนฟิล์มเคลือบ) เนื่องจากการย่นและการพับของฟิล์มเหลวสามารถดักจับอากาศ การขนส่งความร้อนและมวลที่ส่วนต่อประสานของเหลวก็จะได้รับผลกระทบเช่นกันเทย์เลอร์ไหลจากท่อเล็กๆ สู่ถังได้อย่างไร ทำให้เกิดหยดน้ำที่ห่อหุ้มอยู่ในฟองสบู่นักฟิสิกส์สร้างละอองในฟองสบู่
พลวัตของการหดกลับและการยุบตัวที่นักวิจัยค้นพบจะส่งผลต่อการแตกตัวหรือการทำให้เป็นละอองของฟิล์มบาง “ตัวอย่างที่เหมาะสมของตำแหน่งที่การศึกษาของเราสามารถนำมาใช้ได้นั้นเกี่ยวข้องกับกลไกที่ละอองลอยในระบบทางเดินหายใจเกิดขึ้นเมื่อเราหายใจและพูด” เบิร์ดกล่าว “เชื่อกันว่าละอองลอยเหล่านี้พัฒนาขึ้นเมื่อฟิล์มบางและโค้งงอซ้ำแล้วซ้ำเล่าผ่านทางเดินหายใจขนาดเล็กในปอดแล้วแตกออก เนื่องจากแรงตึงผิวมากกว่าแรงโน้มถ่วงเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการยุบตัวและความไม่เสถียรของการโก่งงอหนืด จึงเป็นไปได้ว่าสิ่งนี้อาจมีความเกี่ยวข้องในภาพยนตร์เหล่านี้ด้วย”
ทีมงานซึ่งรวมถึงนักวิจัยด้านคณิตศาสตร์ประยุกต์ที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์และภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลและการบินและอวกาศที่มหาวิทยาลัยพรินซ์ตันได้พัฒนาแบบจำลองทางทฤษฎีเพื่ออธิบายข้อสังเกตของพวกเขา ตอนนี้พวกเขาหวังว่าจะขยายไปสู่ของเหลวที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น ของเหลวที่มีความหนืดซึ่งมีทั้งพฤติกรรมเหมือนของเหลวและของแข็ง Alexandros Oratis หัวหน้าทีม วิจัย กล่าวว่า “ตัวอย่างเช่น ในของเหลวในระบบทางเดินหายใจ แรงตึงผิวที่ยืดหยุ่นและเคลื่อนไหวได้มีอยู่ และอาจเปลี่ยนแปลงปรากฏการณ์ในลักษณะที่น่าสนใจและคาดไม่ถึง”
Credit : haitiepiscopalpartnership.org heathersyren.com hepatite06.org hockettinc.com horizonpromosyoncum.com
