Mikä on fysiikka saippuakuplan takana?

Kuplaa, vaikka se on edelleen olemassa, tasapainottaa kolme tekijää:
1) Saippuaveden pintajännitys .
2) Sisäinen paine , jota ilmakuplan sisällä oleva pinta aiheuttaa.
3) Ilmakehän paine.

Kun jokin näistä on epätasapainossa, yksi voima on suurempi kuin muut ja tämä aiheuttaa kuplan puhkeamisen.

Jos puhutte miksi ne räjähtävät käytännössä? Kuplan pinta on valmistettu saippuavedestä. Saippua on vettä kevyempi, joten kun luot kuplan, vesi vedetään kuplan pohjaa kohti – työntämällä saippuaa ylöspäin – painovoiman vuoksi. Veden pintajännitys on korkeampi kuin saippualla, joten kuplan yläosa heikkenee, kun enemmän saippuaa on keskittynyt yläosaan. Pian sisäinen paine riittää kuplan rikkomiseen, mikä saa sen puhkeamaan.

Toinen syy on, että vesi haihtuu, jättäen siihen väkevämmän saippualiuoksen, joka – kuten edellä mainittiin – on pienempi pintajännitys.

Kuplan käyttäytyminen tapahtuu aina ”Kupladynamiikan” periaatteiden mukaisesti. Näitä säännellään Rayleigh-Plesset -yhtälöllä . Kuten @mikhailcazi on havainnut;

Kuplaa, vaikka se on edelleen olemassa, tasapainottaa kolme tekijää:

1) Pintajännitys saippuavedestä.

2) Kuplan sisällä olevan ilman pintaan kohdistama sisäinen paine.

3) Ilmanpaine.

3 painetta ovat olennainen osa kuplan käyttäytymistä. Kupli ei kuitenkaan ponnahda heti, kun sisäinen paine kasvaa ( Brennen selittää tämän erinomaisesti). On myös ilmiöitä, kuten kuplien kasvu ja romahtaminen. Saatat ehkä tutkia sitä, jos tutkit saippuakuplaa yksityiskohtaisesti, ja haluat käyttää Lagrangian-lähestymistapaa samaan asiaan. Joitakin Rayleigh-Plesset-yhtälön oletuksia, jotka sinun on muistettava:

1. kupla oletetaan olevan pallomainen koko elämänsä ajan.
2. Massansiirron kuplaseinän läpi oletetaan olevan vähäpätöinen. Lämmönsiirrossa on monia muita, mutta nämä riittävät tarvitsemallesi yksinkertaiselle saippuakuplakotelolle.

Ja vastaamaan kysymykseesi;

Mitä nestedynamiikkaa tapahtuu saippuakuplan ponnahduksen aikana?

Kuplan sisällä esiintyvät lähtökohtaisesti paineen vaihtelut ulkoisten (ympäröivien) paineen vaihtelujen vuoksi. Pintajännitysvoima säätyy kuplan laajenemisesta / supistumisesta johtuvalla säteen muutoksella; ja tasapainottaa paineita, kunnes saippuakalvo muuttuu liian ohueksi.

Kommentit

• Hyvä vastaus. Vain pieni kommentti: kupla ' ei aina käyttäydy Rayleigh-Plesset-yhtälön mukaisesti. Se tekee sen vain, jos tämän yhtälön pääoletus pätee, mikä on siinä tapauksessa, että kupla on pallomainen. Pienille, rajoittamattomille kuplille tämä on oikea oletus, mutta suuremmille kuplille tai lähellä olevien seinien tapauksessa se hajoaa.
• @Michiel; kyllä, minun on ' unohdettu lisätä erittäin tärkeä oletus Rayleigh-Plesset -varoitukseen. Lisän myös nämä.

Kysymys numero 1: Saippuakuplan on musta, kun se puhkeaa, miksi?

Vastaus: Kun saippuakupla puhkeaa, se näyttää mustalta tuhoavan häiriön takia. Kun kupla puhkeaa,

1. sen paksuudesta tulee vähäinen eli paksuus ≈ 0, ja
2. tuhoavan häiriön edellytys täyttyy. $$ 2nt = m \ lambda, \ tag1 $$ Missä $ n $ on veden taitekerroin, $ m $ on tumman reunan järjestys, $ \ lambda $ on käytetyn valon aallonpituus ja $ t $ on kalvojen paksuus. Siten kun $ t = 0 $ ja $ m = 0 $, saamme ensimmäisen asteen tumman reunan tuhoisan häiriön takia. Siksi saippuakupla käyttäytyy ohuen kalvon tavoin ja purkautuessaan se näyttää mustalta tuhoavien häiriöiden vuoksi.

Kommentit

• Tämä on vastauksen alku, mutta on valitettavasti puutteellinen.

Jos katsot hidasta liikettä, huomaat, että saippuakuplan ponnahtaminen on eräänlainen ketjureaktion, luulisin, että kuplajärjestelmä ei välttämättä pysty saavuttamaan pienempää energiatilaa vapauttamalla energiaa ympäristöön. Joten reaktio johtaa pieneen energian vapautumiseen, mutta tekee tilaa enemmän energian vapautumista ketjuprosessina. kuplajärjestelmä yleensä romahtaa.