Vedci vyriešili 500 rokov starý paradox Leonarda da Vinciho. Prečo bublinky vo vode nestúpajú priamo nahor?
Profesoři Miguel Ángel Herrada z Univerzity v Seville a Jens G. Eggers z Univerzity v Bristolu objevili mechanismus, který vysvětluje nestabilní pohyb bublinek stoupajících ve vodě. Podle vědců mohou být výsledky, které byly publikovány v odborném časopise PNAS, užitečné pro pochopení pohybu částic, jejichž vlastnosti jsou na pomezí mezi pevnou látkou a plynem.
Jak to s těmi bublinami je
„Již od renesance je doloženo, že vzduchová bublina stoupající ve vodě se odchýlí od své přímočaré dráhy a začne vykonávat periodický klikatý nebo spirálovitý pohyb, jakmile překročí kritickou velikost.“ uvádějí Herrada a Eggers v abstraktu článku.
Už pred piatimi storočiami Leonardo da Vinci pozoroval, že sa vzduchové bubliny, pokiaľ sú dostatočne veľké, pravidelne odchyľujú kľukatým alebo špirálovitým pohybom od priamočiareho smeru. Až doteraz však nebol nájdený kvantitatívny opis tohto javu ani fyzikálny mechanizmus, ktorý by tento periodický pohyb vysvetľoval.
Ako to s tými bublinami je
„Už od renesancie je doložené, že vzduchová bublina stúpajúca vo vode sa odchýli od svojej priamočiarej dráhy a začne vykonávať periodický kľukatý alebo špirálovitý pohyb, akonáhle prekročí kritickú veľkosť.“ uvádzajú Herrada a Eggers v abstrakte článku.
Autori novej vedeckej práce vyvinuli numerickú diskretizačnú techniku, ktorá presne charakterizuje rozhranie vzduch-voda, čo im umožňuje simulovať pohyb bubliny a skúmať jej stabilitu. Ich simulácie zodpovedajú presným meraniam nestacionárneho pohybu bublín a ukázala, že sa bubliny odchyľujú od priamej trajektórie vo vode, keď ich sférický polomer presiahne 0,926 milimetra.
Vedci odhalili mechanizmus nestability trajektórie bubliny, spočívajúci v tom, že periodické naklápanie bubliny mení jej zakrivenie. To má následne vplyv na rýchlosť stúpania a spôsobuje kývanie v trajektórii bubliny, ktorá sa nakláňa na tú stranu, kde sa zakrivenie sa zväčšilo. Keď tlak kvapaliny okolo povrchu s vysokým zakrivením klesá, tlaková nerovnováha vráti bublinu do pôvodnej polohy a následné ďalšie spustenie periodického cyklu.
A komu tým prospeli?
Pohyb bubliniek vo vode zohráva kľúčovú úlohu v celom rade javov, od chemického priemyslu až po životné prostredie. Vztlakový pohyb jednej bubliny slúži ako hojne študovaná paradigma, a to ako experimentálne, tak aj teoreticky. Napriek týmto snahám sa aj napriek dostupnosti obrovského výpočtového výkonu až doposiaľ nepodarilo zladiť experimenty s numerickými simuláciami pre deformovateľnú vzduchovú bublinu vo vode.
Stúpajúca vzduchová bublina predstavovala veľkú numerickú a teoretickú výzvu. Malá viskozita vody znamená vznik tenkých medzných vrstiev, ktoré treba presne rozlíšiť, aby bolo možné zachytiť vzájomné pôsobenie vztlaku a rozptyľovania, ktoré určuje rýchlosť stúpania. Najdôležitejším poznatkom je, že sa bublina deformuje v reakcii na sily pôsobiace na kvapalinu a jej tvar následne mení charakter prúdenia.
„Našli sme mechanizmus periodického pohybu stúpajúcej bubliny, ktorý sa kvalitatívne líši od správania pevnej častice. To otvára dvere na štúdium malých kontaminácií, prítomných vo väčšine praktických prostredí, ktoré napodobňujú častice na pomedzí medzi pevnou látkou a plynom.“ konštatujú vedci v závere svojej práce.
