کاوش در دنیای شگفت‌انگیز حباب‌ها

حتما شما هم هنگام شستن دست‌هایتان با صابون یا ریختن نوشابه درون یک لیوان، متوجه حباب‌های ریزی که ایجاد می‌شود، شده‌اید. با این که حباب و کف در جنبه‌های مختلفی از زندگی روزمره ما حضور دارند، اما تهیه یک مدل علمی برای پیش‌بینی رفتار پیچیده این پدیده، همیشه جزو چالش‌های دانشمندان فعال در این حوزه بوده است.

کد خبر: ۵۶۹۴۲۵

بتازگی دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا در برکلی، موفق به ایجاد یک مدل ریاضی شدند که می‌تواند نحوه شکل‌گیری، تغییر شکل و در نهایت ترکیدن حباب‌ها را پیش‌بینی کند. این دانشمندان با مطالعه حباب‌های ایجاد شده از ترکیب آب و صابون توانستند به این معادلات دست یابند.

یکی از دلایل اهمیت مطالعه و پیش‌بینی رفتار حباب‌ها به دلیل کاربرد آن در تولید برخی مواد شیمیایی مانند مواد مورد استفاده در آتش‌نشانی است که کف و حباب زیادی دارند.

یکی از دلایل دشواری ایجاد یک مدل ریاضیاتی از یک توده حباب این است که این حباب‌ها در یک مجموعه کنار یکدیگر هستند و دیواره‌های مشترکی دارند.

اثرات مختلف فیزیکی وارد شده بر این مجموعه سبب پیچیدگی بیش از حد آن شده و به همین دلیل تعیین رفتار دقیق آن در قالب یک مدل ریاضیاتی بسیار دشوار می‌شود. همچنین برهمکنش‌های مختلف بین حباب‌های موجود در یک مجموعه بر دشواری این مدل‌سازی می‌افزاید.

این دانشمند برای بررسی رفتار حباب‌ها، نخست سه مرحله اصلی در آن یعنی: بازآرایی موقعیت حباب‌ها، ته‌نشین شدن مایع موجود از طریق دیواره نازک حباب‌ها و در نهایت نازک شدن بیش از حد دیواره حباب را که به ترکیدن آن می‌انجامد، شناسایی کردند.

این پژوهشگران مدل خود را روی تود‌ه‌های مختلفی از حباب صابون با حجم‌های متفاوت مورد آزمون قرار دادند و به نتیجه رسیدند که این مدل می‌تواند رفتار و حرکت آن توده را به دقت پیش‌بینی کند. در واقع سه متغیر کلیدی در معادلات تعیین رفتار حباب‌ها عبارتند از: تعداد حباب‌ها، ماده استفاده شده برای تولید آن و در نهایت گرانروی (ویسکوزیته) این مایع.‌ حباب با به دام افتادن هوا در مایع ایجاد می‌شود.

اندازه و دوام حباب‌های تولید شده، ارتباط مستقیمی با یکی از ویژگی‌های همه سیالات یعنی کشش سطحی آنها دارد. کشش سطحی نوعی ویژگی در میان انواع سیالات است که سبب می‌شود برخی حشرات بتوانند روی آب راه بروند و در آن فرو نروند.

وقتی آب از شیرآب آشپزخانه شما خارج می‌شود، دارای مقداری حباب بسیار ریز است که بسرعت هم از بین می‌روند. از آنجا که کشش سطحی آب بسیار زیاد است، دیواره این حباب‌ها بسیار نازک می‌شود و در نتیجه خیلی سریع می‌ترکند.

برخی مواد آلی به محض اضافه شدن به آب سبب کاهش کشش سطحی آن شده و همین موضوع سبب افزایش پایداری حباب‌های تولیدی می‌شود. صابون و مایع ظرفشویی از جمله این مواد هستند. به همین دلیل است که کف‌های ایجاد شده از آب صابون یا ترکیب مایع ظرفشویی با آب بزرگ‌تر از حباب‌های ایجاد شده حاصل از جریان آب در شیرآب آشپزخانه شماست.

دانشمندان امیدوارند این معادلات جدید، آنها را در درک رفتار کف‌های ناپایدار که در آنها عوامل زیادی از جمله گرانش، سبب ته‌نشین شدن مایع از طریق دیواره‌ها و در نتیجه ترکیدن آنها می‌شود، کمک کند. پژوهشگران همچنین امیدوارند این معادلات بتواند راه را برای بررسی حباب‌های ریز ناپایداری که تعادل فیزیکی چندانی ندارد، هموار سازد.