Profesoři Miguel Ángel Herrada z Univerzity v Seville a Jens G. Eggers z Univerzity v Bristolu objevili mechanismus, který vysvětluje nestabilní pohyb bublinek stoupajících ve vodě. Podle vědců mohou být výsledky, které byly publikovány v odborném časopise PNAS, užitečné pro pochopení pohybu částic, jejichž vlastnosti jsou na pomezí mezi pevnou látkou a plynem.
Již před pěti stoletími Leonardo da Vinci pozoroval, že se vzduchové bubliny, pokud jsou dostatečně velké, pravidelně odchylují klikatým nebo spirálovitým pohybem od přímočarého směru. Až dosud však nebyl nalezen kvantitativní popis tohoto jevu ani fyzikální mechanismus, který by tento periodický pohyb vysvětloval.
Jak to s těmi bublinami je
„Již od renesance je doloženo, že vzduchová bublina stoupající ve vodě se odchýlí od své přímočaré dráhy a začne vykonávat periodický klikatý nebo spirálovitý pohyb, jakmile překročí kritickou velikost.“ uvádějí Herrada a Eggers v abstraktu článku.
Autoři nové vědecké práce vyvinuli numerickou diskretizační techniku, která přesně charakterizuje rozhraní vzduch-voda, což jim umožňuje simulovat pohyb bubliny a zkoumat její stabilitu. Jejich simulace odpovídají přesným měřením nestacionárního pohybu bublin a ukázala, že se bubliny odchylují od přímé trajektorie ve vodě, když jejich sférický poloměr přesáhne 0,926 milimetru.
Vědci odhalili mechanismus nestability trajektorie bubliny, spočívající v tom, že periodické naklápění bubliny mění její zakřivení. To má následně vliv na rychlost stoupání a způsobuje kývání v trajektorii bubliny, která se naklání na tu stranu, kde se zakřivení se zvětšilo. Když tlak kapaliny kolem povrchu s vysokým zakřivením klesá, tlaková nerovnováha vrátí bublinu do původní polohy a následné další spuštění periodického cyklu.
A komu tím prospěli?
Pohyb bublinek ve vodě hraje klíčovou roli v celé řadě jevů, od chemického průmyslu až po životní prostředí. Vztlakový pohyb jedné bubliny slouží jako hojně studované paradigma, a to jak experimentálně, tak i teoreticky. Navzdory těmto snahám se i přes dostupnost obrovského výpočetního výkonu až dosud nepodařilo sladit experimenty s numerickými simulacemi pro deformovatelnou vzduchovou bublinu ve vodě.
Stoupající vzduchová bublina představovala velkou numerickou a teoretickou výzvu. Malá viskozita vody znamená vznik tenkých mezních vrstev, které je třeba přesně rozlišit, aby bylo možné zachytit vzájemné působení vztlaku a rozptylování, které určuje rychlost stoupání. Nejdůležitějším poznatkem je, že se bublina deformuje v reakci na síly působící na kapalinu a její tvar následně mění charakter proudění.
„Nalezli jsme mechanismus periodického pohybu stoupající bubliny, který se kvalitativně liší od chování pevné částice. To otevírá dveře ke studiu malých kontaminací, přítomných ve většině praktických prostředí, které napodobují částice na pomezí mezi pevnou látkou a plynem.“ konstatují vědci v závěru své práce.
