Fizikai parodė, kaip drėgmė paveikia reiškinį putplasčiuose

Auksarankė Janina parodė, kaip iš antrinių žaliavų pasidaryti nuostabią žvakidę (Liepa 2019).

Anonim

Nesvarbu, ar geriate alų, valgote ledus ar maitinate patiekalus, teisingai sakyti, kad daugelis žmonių susiduria su putų į kasdienį gyvenimą. Tai yra viskas, nuo ploviklių iki gėrimų iki kosmetikos. Išskyrus kasdienį gyvenimą, jis naudojamas tokiose srityse kaip gaisrų gesinimas, toksiškų medžiagų išskyrimas ir cheminių medžiagų paskirstymas. Tačiau vis dar yra daug ką galima sužinoti apie šią visur esančią medžiagą.

"Putos yra natūralios natūralios atsitiktinai sutrikdytos medžiagos", - teigė Douglasas Durianas, Pensilvanijos universiteto menų ir mokslo mokyklos fizikos profesorius. "Kietas medžiagas, turinčias kristalinę struktūrą, galima lengvai apibūdinti. Kur mes daug nežinome, tačiau vis dar mokomės, yra netvarkingų ir toli nuo pusiausvyros sistemų, o tai yra T. Galima galbūt pagaminsite užsakytą putą, puodydami atskirus burbulus tokio paties dydžio ir suduodami juos kaip patrankius, bet jūs turėsite padaryti nedidelę klaidą. Jei vienas burbulas yra begalybės mažesnis nei visas kitas, jis bus didesnis slėgis, ir jis pradės mažėti. Jis, žinoma, išsivysto į šią sutrikdytą būseną, kurioje jis yra polidisperis, ir tai tiesiog puikus ".

Kadangi putos dažnai naudojamos pramonėje, geresnis pagrindinis medžiagos suvokimas leis žmonėms kontroliuoti savo stabilumą, manipuliuojant ilgiau, kad jis galėtų geriau atlikti savo funkcijas. Tai taip pat gali destabilizuoti ir užkirsti kelią nepageidaujamoms vietoms. Pvz., Kai reikia perdirbti pramonėje skysčius, tai, kiek tai daroma, riboja putojantis.

Žvelgiant į dvipusio dvipusio putplasčio kintamojo filmą, galima pastebėti, kad jis tam tikru metu vystosi, atskiri burbuliukai lėtai besikeičiančioje formoje. Galų gale vidutinis putų dydis iš putplasčio auga, reiškinys, kuris vadinamas grublėjimu. Šis grubinimas suteikia putplasčiams atsikratyti paviršiaus ploto. Durianas ir Cody Schimmingas, Minesotos universiteto Pensio fizikos pagrindinis studentas ir dabar besimokantis studentas, paskelbė straipsnį " Physical Review E", kuriame ištirta, kaip putų drėgmės laipsnis paveikia šį reiškinį.

Norėdami tai suprasti, galite galvoti apie muilo ir vandens mišinį. Jei šaukštelyje ar ploviklyje šiek tiek šerti vandens buteliu su keliais lašais geltonojo maisto dažymo ir purtyti, buteliai greitai užpildytų putomis.

"Jei atidžiai jį pažvelgtumėte, - matė, kad maži burbuliukai buvo labai išmintingi ir sausi, ir jie buvo daugybe aukštyn. Kadangi jūs einate žemyn, pamatysite daugiau spalvų, nes joje yra daugiau skysčių. Taip pat turėtumėte pastebėti, kad burbulai, kuriuose yra geltonos spalvos, iš tikrųjų yra didesni, taigi jie išnyksta ir daugiasluoksniai iš esmės nepastebimi ir sferiniai žemyn. "

Uždaras putplastis bus sausas ir plonus į viršų, sudarytas iš mažų lazdelių, vadinamų Plato sienomis, kur susitinka trys filmai. Kadangi putplastis tampa drėkinamas link dugno, tie lazdelės tampa storesni, kol jie pradeda sferinėmis formomis. Ši konstrukcijos gradacija, pasak Durian'o, yra ta pati, neatsižvelgiant į tai, kas yra putplasčio ar burbulų dydžio.

Laikui bėgant, butelio apačioje kaupiasi daugiau ir daugiau skysčių. Yra trys skirtingi mechanizmai, dėl kurių dujos ir skystis atskiriami. Vienas iš jų yra filmo plyšimas, arba burbuliukai popping. Kadangi šis procesas yra dėl garavimo, jis nebus uždarame butelyje. Antrasis mechanizmas yra gravitacinis drenažas: gravitacija traukia skystį žemyn ir burbuliukai pakyla. Tai sukelia atskyrimą butelyje.

Tačiau būtų įmanoma pašalinti gravitacinį drenažą, jei putos būtų dedamos į mikrogravitacijos aplinką, tokią kaip ant Tarptautinės kosminės stoties. Tokiu atveju grublėjimas tampa kaltininku, nes dujos išsklaido nuo nedidelių aukšto slėgio burbulų į didesnes mažesnio slėgio burbulus.

"Ką žmonės darė prielaidą, - sakė Durianas, - buvo tai, kad šios Plato ribos visiškai užblokavo dujų sklaidą, ir kad dujų sklaida būtų tik per muilo plėvelės langus. Ką Cody padarė, jis faktiškai išsprendė difuzijos lygtį skaičiais išsiaiškinsite, kas vyksta šitose Plateau sienose. Galite prisiminti, kad difuzinė dujų srovė per Plato ruožus yra proporcinga abipusio jų storio ir todėl yra niekaip maža. Tačiau Cody parodė, kad jis iš tikrųjų yra proporcingas kvadrato abipusiai Sienos storio ir plėvelės storio produkcijos šaknis. Kadangi plėvelės yra tokios plonos, sienų, kertančių sieną, srovė yra toli gražu didesnė, nei manoma. "

Mokslininkai taikė tai, ką jie atrado, pagal įstatymą dėl matematiko ir fiziko Johno von Neumanno pokyčių burbulo srityje. Pagal von Neumanno įstatymą, pasikeitimo lygis lygus sienų skaičiui, atėmus šešis. Galima tikėtis, kad, kaip greitai burbulas keis dujas su kaimynais, tai priklausys nuo jo dydžio ir formos, tačiau pagal von Neumano įstatymą topologija yra vienintelis dalykas, kuris yra svarbus. Savo darbe Durianas ir Schimmingas iš naujo apsvarstė šį argumentą ir įtraukė tai, ką sužino apie sienų blokavimą ir sienų kirtimą, kad pamatytų, kaip jis keičiamas.

"Yra šie trys mechanizmai ir mes stengiamės suvokti, kaip jie veikia", - sakė Durianas. "Mes turime gerą vaizdą iš von Neumanno įstatymo apie tai, kaip sausos putos stumbrios." Von Neumanno įstatymas taikomas tiktai šiai idealiai ribai, kad nėra nulinio skysčio. Tačiau nė vienos putos nėra matematiškai išdžiūvusios. Tikrosios putos turi daug skysčio, taigi visi šie mechanizmai pasikeitė tam tikru būdu, ir mes stengiamės išsiaiškinti, kaip tai vyksta. Jei galėsite suprasti pagrindinius dalykus, tai turėtų būti įmanoma tobulinti visas šias programas, kai tai yra labai svarbu, kad būtų galima tiksliai kontroliuoti kaip greitai grumiama. "

Durianas sakė, kad mėgsta studijuoti putplasčius, nes, skirtingai nuo kitų toli nuo pusiausvyros sistemų, preparatų istorija nesvarbi.

"Aš galiu padaryti putų bet kokį seną būdą ir, jei laukiu, jis ištrins istoriją", - sakė jis. "Jis turi savo evoliuciją, kuri mus atneša į šią atkuriamą būseną, taigi tai yra būdas gauti netvarkingą medžiagą, kuri puikiai atsinaujina. Man taip pat patinka, kad fizika yra kontroliuojama geometrija. Šie muilo pluoštai yra minimalūs nuolatinio kreivumo paviršiai. Tokių filmų prijungimo topologijos taisyklės, todėl mikrostruktūros geometriją ir topologiją reglamentuoja graži matematika. Nepriklausomai nuo dydžio burbuliuko ar cheminės sudėties, jie tiesiog puikiai idealios atsitiktinės medžiagos, apie kurias reikia galvoti ".

menu
menu