教育新闻网根据Alexandros T. Oratis等人进行的一项研究，最近在《科学》杂志上刊登的专题封面照片描绘了崩溃中的泡沫。波士顿大学，麻省理工学院和普林斯顿大学的机械工程，数学和航空航天工程研究团队演示了气泡坍塌时形成的有趣波状图案。他们在实验室中使用复杂的照明设置和快速的快门速度，完美地捕捉了短暂的瞬间，在一秒钟内，他们拍摄了从稠密的硅油周围介质中冒出的微小气泡。
粘性气泡的破裂和破裂在自然界和工业应用中很普遍。这种现象伴随着产生径向皱纹的弹性片。尽管膜的重量似乎在膜塌缩和起皱不稳定性中起主要作用，但在这项工作中，重力似乎起着令人惊讶的微不足道的作用。基于这种现象的流体力学，Oratis等人。结果表明，表面张力是破坏过程中引起动态屈曲不稳定性和起皱行为的驱动因素，并伴随着弯曲的粘性和粘弹性薄膜的破裂。研究工作与了解工业和化学应用(包括气雾剂生产)有关 来自呼吸道的呼气事件。
薄板起皱
由于气泡在自然界和工业应用中的普遍性，包括在玻璃制造，喷漆，放射性废物处置和火山喷发过程中的气泡收集等普遍应用，了解气泡的形成非常重要。弹性片材在压缩应力下会起皱，因为它们需要的能量比压缩所需的能量更少。在最近的研究中，研究人员专注于理解将薄弹性片材拉伸，戳戳或包裹在弯曲处时发生的弯曲变形。目的。同样，当上升的气泡到达表面破裂时，粘性液体也可能在“降落伞不稳定性”过程中弯曲。表面覆盖后，气泡由球形帽形式的液体薄膜组成，并由内部的气体支撑。气泡破裂过程中产生的皱纹是由于薄膜塌缩的重量而造成的，从而使捕获的气体逸出。Oratis等。结果表明，起皱的不稳定性并不特别取决于重力，也没有实验上形成的允许被捕获的气体从气泡中逸出的孔的存在。
概念验证
该小组进行了实验，观察了硅油浴上坍塌的气泡中皱纹的形成，以显示其是由表面张力而不是重力驱动的。为了验证该假设，他们进行了一个实验，将气泡倒置，由于液体粘度，这种方法变得容易。他们通过将气泡朝上准备好并快速旋转样品以使其在几秒钟内破裂来实现。当倒置时，气泡膜在顶点处继续保持其形状和厚度。如果重力和粘度是该过程的主要贡献者，那么在模拟中可以看到，倒置的气泡将向下拉长。相反，团队注意到倒置的气泡在重力的作用下又恢复了原来的状态，而气泡的最后阶段却形成了皱纹，从而使它们清楚地看到了过程。
表面张力—驱动力
为了了解表面张力，现象背后的驱动力，科学家测量了坍塌时间尺度特征的关键参数。为此，Oratis等。在实验过程中使用了各种粘度和不同膜厚的硅油。他们使用高速图像计算起皱时的代表速度，并增加硅油的粘度，以减慢塌陷。不出所料，更薄的气泡崩溃得更快。在这项工作中得出的模型表明，皱纹的数量如何严重取决于引发气泡塌陷的孔的大小。在实验演示期间，研究小组使用毛细管驱动装置消除了整个气泡表面的压力差，该装置不会破坏薄膜，因此，该实验结果均符合理论公平的协议。系统中拉应力和压应力之间的竞争影响了片材中起皱图案的位置。Oratis等。使用从熔炉中抽出的吹制熔融玻璃，对较厚的结构进行了另外的实验，使熔融空气通过吹玻璃管逸出。在此过程中，吹制的玻璃塌陷成皱纹形状。在这项工作中得出的模型对于膜最薄的数据有局限性，在膜最薄的情况下，坍塌非常突然，起皱图案失去了对称性，无法覆盖整个气泡。此外，该模型预测在所有情况下都不会发生皱纹。
Oratis和他的同事以这种方式表明，表面张力而不是重力推动了粘性表面气泡的破裂。他们开发了一种毛细管驱动的塌陷系统，通过可重复作用的薄膜的惯性，压缩和粘性结合的同时相互作用来引发动态屈曲不稳定性。这项工作提出了在快速压缩过程中具有类似弹性不稳定性的粘性薄片。结果还可以解释潜在的携带病原体的气溶胶呼出的流体力学，这些气溶胶与衬在呼吸道中的粘弹性流体中的薄气泡膜的破裂有关。目前的工作表明，仅表面张力可能会在粘性薄膜破裂期间促使屈曲不稳定性，从而使这些薄膜折叠并截留空气，从而为雾化机理提供更深入的认识。
