Natuurkunde: hoe ontstaan ​​bellen?

Onderzoekers analyseren voor het eerst het proces van bellenvorming

Zeepbellen maken is populair bij kinderen - maar onderzoekers hebben nog maar net onderzocht hoe ze worden gemaakt. © Nata Sneeuw / thinkstock
voorlezen

Bellenblazen is meer dan alleen een populair kinderspel - er werken zelfs fysici in. Deze hebben nu voor het eerst onderzocht hoe en onder welke omstandigheden de iriserende bubbels zelfs ontstaan. Ze merkten op dat de dikte en snelheid van de luchtstroom een ​​belangrijke rol spelen. De dikte van de zeephuid bleek echter verrassend onbelangrijk.

Zeepbellen zijn niet alleen fascinerende kinderen met hun oogverblindende kwetsbaarheid, onderzoekers hebben ook veel hersenvet en experimenten gewijd. Zo hebben ze in detail onderzocht hoe de bellen barsten, hebben ze ontdekt dat een muur van zeepbellen verrassend goed is geïsoleerd tegen echografie en zelfs op het ruimtestation ISS hebben astronauten experimenten met zeepbellen uitgevoerd om hun stabiliteit in gewichtloosheid te testen.

Deuk in de zeephuid

Het is des te verbazingwekkender dat een aspect van zeepbellen nauwelijks is onderzocht: onder welke omstandigheden ze zich voordoen. Louis Salkin en zijn collega's van de universiteit van Rennes in Frankrijk hebben dit nu goedgemaakt. Voor hun studie richtten ze een luchtstraal die in breedte en dikte verstelbaar was door middel van een mondstuk op een verticale zeephuid met een diameter van ongeveer een meter en filmden de scène met een hogesnelheidscamera.

Als de druk van de luchtstraal lager is dan de oppervlaktespanning, wordt alleen een deuk in de zeephuid gevormd. © Salkin et al., Phys. Eerw. 2016

De foto's lieten zien hoe bij lage snelheden van de luchtstraal een kleine deuk in de zeephuid werd gevormd. Hoe sterker de straaldruk werd, hoe dieper de deuk was. Pas toen de gasstraal een bepaalde drukdrempel overschreed, puilde de deuk zo ver uit dat hij zijn maximale kromming kreeg en zich losmaakte als een luchtbel.

Druk en grootte van de luchtstraal zijn cruciaal

De onderzoekers verklaren deze waarnemingen als volgt: Kortom, bij het blazen van bellen, concurreren de druk van de luchtstraal en de oppervlaktespanning van de zeephuid. De oppervlaktespanning heeft de neiging de doorbuiging van de deuk zo laag mogelijk te houden en gaat een toename van de kromming tegen. Alleen wanneer de druk groot genoeg is om deze tegenkracht te overwinnen, kan de deuk een halfrond vormen en oplossen. tonen

Het bleek dat de dikte van de luchtstraal ook invloed heeft op hoe gemakkelijk een zeepbel wordt gevormd: hoe breder de straal, hoe lager de gasdruk die nodig is om de bellendrempel te overschrijden. De reden hiervoor is dat de resulterende bellen een kleinere kromming hebben, zodat minder kracht nodig is om de oppervlaktespanning tegen te gaan.

Alleen wanneer de druk van de luchtstraal de oppervlaktespanning van de huid overschrijdt, ontstaan ​​er zeepbellen. Salkin et al. Phys. Eerw. 2016

Nuttige inzichten

Wanneer we echter bellen blazen, is de luchtstraal meestal breder dan de zeephuid. De onderzoekers testten deze case ook in het laboratorium. Het bleek: in dit geval bepaalt de grootte van de se hoeveel we moeten blazen totdat de bel is gevormd. Anderzijds heeft de dikte van de zeephuid of de stroomsnelheid geen invloed op de productie van zeepbellen, zoals de onderzoekers melden. Turbulentie in de gasstroom speelt nauwelijks een rol.

"We wilden een alledaags experiment verklaren", zegt co-auteur Laurent Courbin. Maar de nu geïdentificeerde wetten kunnen ook helpen bij het verbeteren van blaarvorming in verschillende industriële toepassingen, zoals schuimproductie, of om ze te voorkomen, zoals bij het maken van glas. (Physical Review Letters, 2016; doi: 10.1103 / PhysRevLett.116.077801)

(CNRS / Physics.org, 23.02.2016 - NPO)