Образование воздушных пузырьков в жидкости появляется очень похож на своего обратного процесса, формирование капель жидкости, например, капающий водопроводный кран. Но физика на самом деле очень разные, и в то время как те капли воды являются однородными по их размер и интервал, формирование пузыря, как правило, гораздо больше случайного процесса.
Теперь исследование ученых из Массачусетского технологического института и Принстонского университета показано, что при определенных условиях пузырьки также могут быть уговорен в форме сфер, как отлично подобраны как-капельным путем.
Новые результаты могут иметь последствия для развития микрофлюидных устройств для биомедицинских исследований, так и для понимания того, как взаимодействует природный газ с нефтью в крошечной поровое пространство пород, говорят исследователи. Результаты исследования были опубликованы сегодня в журнале PNAS, в работе выпускник Массачусетского технологического института Пахлаван Амир кандидат ’18, профессор Говард Стоун из Принстонского университета, Массачусетского технологического института Инженерной школы профессор педагогических инноваций Гарет Маккинли, и профессор Хуанес МИТ Рубен.
Ключом к производству однородные по величине и расположенных пузырьков заключается в держать их в узком пространстве, Хуанес объясняет. Когда воздух или газ поступает в большой контейнер жидкости, рассредоточение пузырьков бессистемно. При попадании в жидкость, которая сосредоточена в относительно узкой трубке, однако газ будет производить поток пузырьков, идеально подобранный по размеру и образующих равные интервалы. Это равномерное и предсказуемое поведение, независимое от конкретных начальных условий, называется универсальность.
Процесс формирования капель или пузырьков очень похоже, начиная с удлинения сыпучих материалов (будь то воздух или вода), и в итоге истончение и пережимным “шеи”, соединяющей каплю или пузырь струящийся материал. Что пережимным затем капля или пузырь рухнет в шарообразную форму. Рисунок мыльными пузырями: как вы удар через кольцо, тюбик с мыльной пленкой постепенно выходит наружу в длинный мешочек перед отщипывая сформировать круглый пузырь, который уплывает.
Движение пузырьков в непосредственной близости от пузыря на шее. В микропузырьковую здесь выступает в качестве индикатора, показывающие направление потока.
“Процесс капля капает из крана, как известно, быть универсальными”, — говорит Хуанес, который имеет совместное назначение в департаменте гражданской и экологической инженерии и Земли, атмосферных и Планетарных Наук. Если капать жидкость имеет другую вязкость или поверхностное натяжение, или если открыть кран другого размера, “это не имеет значения. Вы можете найти отношения, которые позволяют определить основной кривой или мастером поведение для описания этого процесса”, — говорит он.
Но когда дело доходит до того, что, в некотором смысле, обратный процесс капающий кран — вдувание воздуха через отверстие в большой резервуар с жидкостью, такие как джакузи — процесс не универсален. “Поэтому если у вас есть нарушения в отверстия, или если отверстие больше или меньше, или если вы вводите с некоторыми пульсации, все это может привести к различным пережимным пузырей”, — говорит Хуанес.
Новых экспериментов, замешанных на газ просачивается на вязких жидкостей, таких как нефть. В неограниченном пространстве, размеры пузырьков непредсказуемы, но ситуация меняется, когда они пузырька в жидкости в трубке вместо. До определенного момента, размеры и форма трубы не имеет значения, и характеристики отверстия газ проникает. Вместо того, чтобы пузырьки, как капли из крана, равномерно размеры и разнесены.
Эволюция осушки RIM и окончательный разрыв пузырька в капилляре. Вежливость исследователей
Пахлаван говорит: “наша работа-это действительно Повесть о двух удивительных наблюдений; первый неожиданному заключению пришли около 15 лет назад, когда другая группа расследует образование пузырьков в большие резервуары для жидких отметил, что пережимным процесс nonuniversal” и зависит от деталей экспериментальной установки. “Теперь второй сюрприз приходит в нашей работе, который показывает, что ограничение пузырь внутри капиллярной трубки делает пережимным нечувствительны к детали эксперимента и поэтому универсальная”.
Это наблюдение является “удивительно”, — говорит он, потому что интуитивно может показаться, что пузырьки могут свободно двигаться через жидкость будет меньше пострадали от своих первоначальных условий, чем те, которые окружают. Но напротив оказалось правдой. Получается, что взаимодействие между трубой и формируя пузырь, так как линия контакта между воздухом и жидкостью продвигается внутри трубы, играют важную роль. Этот “эффективно стирает память системы, деталей начальных условий, и, следовательно, восстанавливает универсальность к пережимным пузыря”, — говорит он.
В то время как такие исследования могут показаться эзотерическими, их результаты имеют потенциал применения в различных практических ситуациях, Пахлаван говорит. “Управляемая генерация капель и пузырей очень желательно в микрофлюидике, со многими приложениями в виду. Несколько примеров струйная печать, медицинской визуализации, и делая порошкообразных материалов”.
Это новое понимание также важно для некоторых природных процессов. “В геофизических приложениях, мы часто видим, что жидкость течет в очень узких и ограниченных пространствах”, — говорит он. Эти взаимодействия между жидкостями и окружающие зерна часто пренебрегают при анализе таких процессов. Но поведение таких геологических систем часто определяется процессами на зерно-шкале, что означает, что на микроуровне анализа, проведенного в данной работе, могут быть полезными в понимании даже таких очень масштабных ситуациях.
Формирование пузыря в таких геологических образований может быть благословением или проклятием, в зависимости от контекста, говорит Хуанес, но в любом случае важно понять. Для связывания углерода, например, Надежда-насос диоксид углерода, отделенный от выбросов электростанций, в глубокозалегающих пластах для предотвращения газов выходит в атмосферу. В этом случае образование пузырьков в крошечные пустоты в породе является преимуществом, потому что пузыри, как правило для того чтобы преградить подачу и держать газ на якоре в нужном положении, предотвращая его утечку наружу.
Но по той же причине, формирование пузыря на природный газ также может быть проблемой, потому что он также может блокировать поток, блокируя возможность извлекать нужные природного газа. “Он может быть обездвижен в поровом пространстве”, — говорит он. “Это займет гораздо больше давления, чтобы иметь возможность двигаться, что пузырь”.
“Это очень хорошая и тщательная работа”, — говорит Эггерс Йенс, профессор прикладной математики в Университете Бристоля, в Великобритании, который не был вовлечен в это исследование. “Это почти само собой разумеется, что большая часть успеха этой бумаги заключается в том, что он опирается на тщательное и количественный эксперименты”.
Эти результаты, говорит он, отражает тот факт, что “существует много сложнее
чтобы такие проблемы, как пережимным, чем считалось ранее”. Эггерс добавляет, что “конечно, понимание этой сложности имеет решающее значение для приложений, где не было выбора выбирать особо простая часть проблемы, но со всеми осложнениями”.
