Powiększ / fizyk Justin Burton (po lewej) eksperymentuje z gigantycznymi bańkami mydlanymi na quadzie Uniwersytetu Emory ze studentem Stephenem Frazierem.

Każdy kocha bąbelki, niezależnie od wieku—im większy tym lepszy. Ale dmuchanie naprawdę dużych, rekordowych na świecie pęcherzyków wymaga bardzo precyzyjnej mieszanki pęcherzyków. Fizycy ustalili, że kluczowym składnikiem jest mieszanie się polimerów o różnej długości nici, zgodnie z nowym artykułem w Physical Review Fluids. W ten sposób powstaje folia mydlana, która jest w stanie rozciągnąć się wystarczająco cienko, aby stworzyć gigantyczną bańkę bez pękania.

bąbelki mogą wydawać się frywolne, ale istnieje pewna złożona fizyka podstawowa, dlatego ich badania od dawna są poważną nauką. W XIX wieku belgijski fizyk Joseph Plateau przedstawił cztery podstawowe prawa napięcia powierzchniowego, które określają strukturę filmów z mydłem. Napięcie powierzchniowe powoduje, że pęcherzyki są okrągłe; ten kształt ma najmniejszą powierzchnię dla danej objętości, więc wymaga najmniej energii do utrzymania. Z biegiem czasu, ten kształt zacznie wyglądać bardziej jak piłka nożna niż idealna kula, gdy grawitacja pociągnie ciecz w dół („coarsening”).

pęcherzyki i pianki pozostają aktywnym obszarem badań. Na przykład w 2016 roku francuscy fizycy opracowali teoretyczny model dokładnego mechanizmu powstawania baniek mydlanych, gdy strumienie powietrza uderzają w film z mydłem. Odkryli, że pęcherzyki powstają tylko powyżej pewnej prędkości, która z kolei zależy od szerokości strumienia powietrza. Jeśli strumień jest szeroki, będzie niższy próg formowania pęcherzyków, a te pęcherzyki będą większe niż te wytwarzane przez węższe strumienie, które mają wyższe progi prędkości. To właśnie się dzieje, jeśli chodzi o fizykę, kiedy dmuchamy bąbelki przez małą plastikową różdżkę: strumień tworzy się na naszych ustach i jest szerszy niż film z mydłem zawieszony w różdżce.

w 2018 roku informowaliśmy o tym, jak matematycy z laboratorium Matematyki Stosowanej Uniwersytetu Nowojorskiego jeszcze bardziej udoskonalili metodę dmuchania idealnej bańki w oparciu o podobne eksperymenty z cienkimi warstwami mydła. Doszli do wniosku, że najlepiej jest użyć okrągłej różdżki o obwodzie 1,5 cala i delikatnie dmuchać z konsekwentną prędkością 6,9 cm / s. dmuchaj z większą prędkością, a bańka pęknie. Użyj mniejszej lub większej różdżki, a stanie się to samo.

ale co z dmuchaniem gigantycznych baniek lub długich, cienkich filmów mydlanych, które mogą obejmować dwie historie? Justin Burton, współautor najnowszego artykułu i fizyk z Uniwersytetu Emory specjalizujący się w dynamice płynów, po raz pierwszy zaintrygował się tym tematem na konferencji w Barcelonie. Widział ulicznych wykonawców produkujących gigantyczne bańki o średnicy hula hoop i tak długie jak samochód.

był szczególnie zaintrygowany zmieniającą się tęczą kolorów na powierzchni bąbelków. Efekt ten jest spowodowany wzorami interferencji powstałymi, gdy światło odbija się od dwóch powierzchni filmu. Dla Burtona było to również wskazanie, że grubość mydła wynosiła zaledwie kilka mikronów, co w przybliżeniu odpowiada długości fali światła. Był zaskoczony, że folia mydlana może pozostać nietknięta, gdy jest tak cienka w gigantyczną bańkę i zaczął robić własne eksperymenty, zarówno w laboratorium, jak i na własnym podwórku.

przeglądając Wiki o bańkach mydlanych z otwartym dostępem, zauważył, że większość ulubionych przepisów na roztwór bańki zawiera polimer—Zwykle naturalny guar (powszechny dodatek do żywności zagęszczający) lub Medyczny smar (glikol polietylenowy).

korzystając z tych przepisów jako przewodnika, „w zasadzie zaczęliśmy robić pęcherzyki i popping je, i rejestrowane szybkość i dynamikę tego procesu,” powiedział Burton. „Skupienie się na płynie w najbardziej gwałtownych momentach może wiele powiedzieć o jego podstawowej fizyce.”

ostatecznym celem było określenie idealnych proporcji mieszaniny bąbelkowej do wytworzenia gigantycznych bąbelków: czegoś z odrobiną rozciągliwości, ale nie za dużo, gdzie płyn płynie trochę, ale nie za dużo—innymi słowy, Złotowłosa mieszanka bąbelkowa.

jak pisze Lissie Connors w Physics Buzz:

do swojego eksperymentu naukowcy stworzyli różne mieszanki wody, mydła i długołańcuchowych polimerów, aby wytwarzać pęcherzyki. Niestety, wydmuchanie bańki 100 m3 jest słabym wykorzystaniem przestrzeni laboratoryjnej i dość trudnym do dokładnego zmierzenia, więc folie mydlane powstały przy użyciu bawełnianego sznurka, a grubość mierzono za pomocą światła podczerwonego. Oprócz pomiaru grubości, śledzili również żywotność każdej folii.

Burton i jego zespół doszli do wniosku, że to polimerowe nici były kluczem do produkcji gigantycznych pęcherzyków, potwierdzając zbiorową mądrość online. „Polimerowe nici stają się splątane, coś jak kulka włosów, tworząc dłuższe pasma, które nie chcą się rozpadać”, powiedział Burton. „W odpowiednim połączeniu polimer pozwala filmowi mydlanemu osiągnąć „słodki punkt”, który jest lepki, ale także elastyczny—po prostu nie tak rozciągliwy, że się rozrywa.”

zespół odkrył również, że zmiana długości nici polimerowych skutkowała bardziej wytrzymałą folią mydlaną. „Polimery o różnych rozmiarach stają się jeszcze bardziej splątane niż polimery jednowymiarowe, wzmacniając elastyczność folii” – powiedział Burton. „To fundamentalne odkrycie fizyki.”

w pasku bocznym znajdziesz przepis na gigantyczną bańkę Burtona. Należy jednak pamiętać: istnieją pewne czynniki, których nie można kontrolować w rzeczywistym świecie (w przeciwieństwie do środowiska laboratoryjnego Burtona), takie jak poziom wilgotności.

DOI: Physical Review Fluids, 2020. 10.1103 / PhysRevFluids.5.013304 (O DOIs).