Механизм схлопывания пузырей может использоваться в медицине

Американские физики впервые сумели показать, какие физические силы действуют при схлопывании пузырей, благодаря которым те не исчезают просто так, а формируют новые, гораздо более мелкие пузырьки, сообщается в статье исследователей, опубликованной в журнале Nature.

Открытый механизм физических процессов схлопывания пузырей может найти применение для описания многих природных явлений или использоваться в медицине или промышленности.

С таким, казалось бы простым явлением, как образование кольца новых, более мелких пузырьков вокруг мыльного пузыря, лопнувшего на поверхности жидкости или твердого тела, сталкивался едва ли не каждый житель Земли, когда-либо мывший посуду, стиравший одежду, купавшийся в океане или просто пускавший мыльные пузыри в воздух.

Авторы нового исследования - группа гарвардских физиков во главе с Джеймсом Бёрдом (James Bird) - сумели впервые показать, что процесс схлопывания пузырей запускает целый каскад физических явлений и объяснить какие именно физические силы лежат в его основе.

Ученые выяснили, что при разрушении оболочки пузыря избыточное давление внутри него, формирующееся над его внутренней вогнутой поверхностью, заставляет оболочку очень быстро сворачиваться от центра к краям. В результате этого процесса, ускоряемого действием силы поверхностного натяжения, оболочка лопающегося пузыря формирует фигуру, похожую на тор, или бублик.

Эта фигура является очень неустойчивой и быстро разрушается на отдельные пузыри, благодаря чему, по периметру лопающегося пузыря формируется кольцо из новых пузырьков гораздо меньшего размера, чем изначальный. Их небольшой размер, высокая кривизна поверхности и обусловленное ею высокое давление внутри заставляет эти вновь образовавшиеся пузырьки вновь лопаться по такому же механизму, что и изначальный большой пузырь.

Теоретически, этот процесс мог бы продолжаться много раз, однако в реальности ученым не удалось наблюдать более двух каскадов образования новых маленьких пузырей из изначального. Каскад завершается формированием микроскопических капель жидкости.

С помощью видеокамер, предназначенных для быстрой съемки, а также построенных математических симуляций, ученые продемонстрировали, что процесс лопанья пузыря является универсальным для любой жидкости и может наблюдаться для жидких сред, обладающих вязкостью в 5 тысяч раз превышающую вязкость воды. Исследователи показали, что подбирая нужные параметры жидкости, а также поверхность, на которой покоится надутый с ее помощью пузырь, можно оказывать существенное влияние на конечный результат схлопывания пузыря.

Ученые полагают, что аналогичные закономерности можно выявить и для расплавленных стекол, грязи и даже пузырей в вулканической лаве. Понимание процессов, формирующих маленькие пузырьки из больших, по мнению ученых, может найти самые различные применения.

"Мы выработали теорию, с помощью которых можно объяснить формирование знакомого всем кольца мелких пузырьков вокруг лопнувшего большого пузыря. Мы полагаем, это может прояснить роль пузырей в формировании аэрозольных частиц в природе или промышленных процессах", - прокомментировал работу ее соавтор профессор Говард Стоун (Howard Stone), слова которого приводит пресс-служба Гарвардского университета.

Например, при изготовлении стекол формирование пузырьков может иметь крайне негативное влияние на конечный продукт, тогда как пузыри и пена морских волн, вполне вероятно, помогают формировать свежий морской бриз, содержащий аэрозольные частицы с растворенными в них морскими солями и минералами.

Микрокапельки жидкости, формирующиеся из лопающихся пузырей, могут являться носителями и инфекций и паразитов обитающих в воде океанов и морей, поэтому их изучение - не праздный интерес ученых-медиков.