Iedereen houdt van bubbels, ongeacht leeftijd—hoe groter hoe beter. Maar om echt grote, wereldrecord-schaal bubbels te blazen vereist een zeer nauwkeurig bubbelmengsel. Natuurkundigen hebben vastgesteld dat een belangrijk ingrediënt mengen in polymeren van verschillende strenglengtes, volgens een nieuw document in Physical Review Fluids. Dat produceert een zeepfilm die voldoende dun kan strekken om een gigantische bel te maken zonder te breken.

bubbels lijken misschien frivool, maar er is een aantal complexe onderliggende fysica, en daarom is hun studie lange tijd serieuze wetenschap geweest. In de jaren 1800 schetste de Belgische natuurkundige Joseph Plateau vier basiswetten van oppervlaktespanning die de structuur van zeepfilms bepalen. Oppervlaktespanning is de reden waarom bubbels zijn rond; die vorm heeft de minste oppervlakte voor een bepaald volume, dus het vereist de minste energie te handhaven. Na verloop van tijd zal die vorm meer op een voetbal beginnen te lijken dan op een perfecte bol als de zwaartekracht de vloeistof naar beneden trekt (“grofheid”).

bubbels en schuimen blijven een actief onderzoeksgebied. In 2016 werkten Franse natuurkundigen bijvoorbeeld een theoretisch model uit voor het exacte mechanisme voor de vorming van zeepbellen wanneer luchtstralen een zeepfilm raken. Ze vonden dat bubbels alleen gevormd boven een bepaalde snelheid, die op zijn beurt afhankelijk van de breedte van de straal van de lucht. Als de straal breed is, zal er een lagere drempel voor het vormen van bellen zijn, en die bellen zullen groter zijn dan degenen die worden geproduceerd door smallere jets, die hogere snelheidsdrempels hebben. Dat is wat er gebeurt, fysisch gezien, als we bellen door een klein plastic toverstokje blazen: de straal vormt zich op onze lippen en is breder dan de zeepfilm die in de toverstaf hangt.

in 2018 rapporteerden we hoe wiskundigen van het Applied Math Lab van de New York University de methode voor het opblazen van de perfecte bubbel nog verder hadden verfijnd op basis van soortgelijke experimenten met zeepdunne films. Ze concludeerden dat het het beste is om een cirkelvormige toverstaf met een omtrek van 1,5 inch te gebruiken en zachtjes te blazen met een consistente 6,9 cm/s. Gebruik een kleinere of Grotere toverstaf, en hetzelfde zal gebeuren.

maar hoe zit het met het blazen van gigantische bubbels of lange, dunne zeepfilms die twee verdiepingen kunnen overspannen? Justin Burton, coauteur van de nieuwste paper en een fysicus aan de Emory-Universiteit gespecialiseerd in vloeistofdynamica, raakte voor het eerst geïntrigeerd door het onderwerp op een conferentie in Barcelona. Hij zag straatartiesten gigantische bubbels produceren over de diameter van een hoelahoep en zo lang als een auto.

hij was vooral geïntrigeerd door de veranderende regenboog van kleuren op het oppervlak van de bubbels. Dit effect is te wijten aan interferentiepatronen die ontstaan wanneer het licht weerkaatst op de twee oppervlakken van de film. Voor Burton was dit ook een indicatie dat de dikte van de zeep slechts een paar micron was, ongeveer gelijk aan de golflengte van licht. Hij was verbaasd dat een zeepfilm intact kon blijven toen hij zo dun werd uitgerekt tot een gigantische bel en begon zijn eigen experimenten te doen, zowel in het lab als in zijn eigen achtertuin.

tijdens het doorlezen van de Open access Soap Bubble Wiki, merkte hij op dat de meeste van de favoriete recepten voor bubbeloplossing een polymeer—meestal natuurlijke guar (een veelvoorkomend verdikkingsmiddel voor levensmiddelen) of een medisch smeermiddel (polyethyleenglycol) bevatten.

met behulp van deze recepten als een gids, “we in principe begonnen met het maken van bubbels en popping ze, en opgenomen De snelheid en dynamiek van dat proces,” zei Burton. “Focussen op een vloeistof op de meest gewelddadige momenten kan je veel vertellen over de onderliggende fysica.”

het uiteindelijke doel was het bepalen van de perfecte verhoudingen voor een bellenmengsel om gigantische bellen te produceren: iets met een beetje rek, maar niet te veel, waar de vloeistof een beetje stroomt, maar niet te veel-met andere woorden, het Goudlokje van bellenmengsels.

zoals Lissie Connors schrijft op Physics Buzz:

voor hun experiment creëerden de onderzoekers verschillende mixen van water, zeep en lange-keten polymeren om hun bubbels te maken. Helaas, blazen een 100 m3 bel is een slecht gebruik van laboratoriumruimte, en heel moeilijk nauwkeurig te meten, zodat de zeepfilms werden gemaakt met behulp van een katoenen string, en de dikte werd gemeten met behulp van infrarood licht. Naast het meten van de dikte, volgden ze ook de levensduur van elke film.

Burton en zijn team concludeerden dat het de polymere strengen waren die de sleutel waren tot het produceren van gigantische bubbels, wat de collectieve online wijsheid bevestigde. “De polymeer strengen verstrikt raken, iets als een haarbal, de vorming van langere strengen die niet willen uit elkaar te breken,” zei Burton. “In de juiste combinatie zorgt een polymeer ervoor dat een zeepfilm een ‘sweet spot’ bereikt die viskeuze maar ook rekbaar is—alleen niet zo rekbaar dat het uit elkaar scheurt.”

Het team vond ook dat het variëren van de lengte van de polymeerstrengen resulteerde in een stevigere zeepfilm. “Polymeren van verschillende afmetingen raken nog meer verstrengeld dan enkelvoudige polymeren, waardoor de elasticiteit van de film wordt versterkt”, zegt Burton. “Dat is een fundamentele natuurkundige ontdekking.”

U kunt Burton ‘ s giant bubble recept vinden in de zijbalk. Maar wees gewaarschuwd: er zijn een aantal factoren die niet kunnen worden gecontroleerd in een real-world setting (in tegenstelling tot Burton ‘ s laboratoriumomgeving), zoals vochtigheidsniveaus.

DOI: Physical Review Fluids, 2020. 10.1103 / PhysRevFluids.5.013304 (Over DOI ‘ S).