Физики построили детальную модель всплытия пузырька с воздухом в дистиллированной воде.
В эпоху, когда одни ученые изучают реликтовое излучение, а другие исследуют элементарные частицы, третьи наконец смогли объяснить, почему пузырьки в газированных жидкостях всплывают по определенной траектории. Что ж, как написал когда‑то Владимир Маяковский, «значит — это кому‑нибудь нужно».
И ведь действительно нужно. Оказывается, пузырьки способны не только менять вкус игристых вин, но и, к примеру, успешно очищать поверхности от загрязнений. Правда, чтобы более эффективно использовать их в различных процессах, требуется лучше понимать их поведение при различных условиях.
Долгое время бытовало мнение, что пузырьки помогают раскрывать букет игристого вина и других «искрящихся» напитков, и чем они мельче, тем лучше это делают. Но однажды физики докопались до истины и сделали важное уточнение: эффективнее передать вкус и запах помогают именно крупные пузырьки — лопаясь, они доставляют к нашим носам больше ароматических соединений. Кстати, в том же исследовании ученые подтвердили, что бокал-флейта лучше подходит для игристых, чем креманка: на меньшей площади поверхности аромат получается более концентрированным.
Внимание на зависимость траектории всплытия пузырьков от их размеров обратил еще Леонардо да Винчи: «Воздух, погрузившийся вместе с водой, возвращается в воздух, проникая в воду волнообразным движением и превращая свое вещество в большое количество форм ». Он отмечал, что при определенном диаметре пузырьки будут двигаться не прямо, а зигзагами или по спирали. Современные гении уже знают, что в деле замешаны сложные гидродинамические процессы на границе воздух — жидкость и деформация пузырей в ответ на силы сопротивления. Вот только математической модели, объясняющей эти процессы, не было до 2023 года.
Построить эту модель удалось Мигелю Эррада и Дженсу Эггерсу — физикам из Калифорнийского университета в Беркли (США). Как показала в ходе эксперимента симуляция системы потоков, поднимающийся в жидкости пузырь представляет собой тороидальный вихрь осесимметричной, но не эллиптической формы, и зависит он от взаимодействия воздуха и воды на их границе.
Здесь представлены типичные траектории пузырьков размером 4–20 мм. Пузырьки диаметром 4 и 5 мм (1 и 2) извиваются вверх с большими боковыми движениями, что соответствует наблюдениям да Винчи. Пузырь диаметром 7 мм (3) при движении колеблется из стороны в сторону. Траектория пузырьков диаметром 8 и 9 мм (4) похожа на движение медузы, 12‑миллиметровый пузырь (5) поднимается, как птица, машущая крыльями, а самый большой (6) непоколебимо стремится вверх по прямой.
Через решение уравнений Навье — Стокса* и сравнение зависимостей траектории от параметров пузыря ученые пришли к выводу, что их расчеты хорошо согласуются с результатами эксперимента: колебания пузыря воздуха в чистой воде становились нестабильными, начиная с радиуса 0,926 мм (0,91 мм в эксперименте). А это значит, что сделан еще один большой шаг на пути практического применения пузырьков и их магии в самых разных сферах жизни.
* Система дифференциальных уравнений, описывающая движение вязкой ньютоновской жидкости. Применяется в математическом моделировании многих природных явлений.
