Universiteto studentas neseniai išsprendė klausimą, kuris kelia nerimą fizikams daugiau nei pusę amžiaus: Kodėl dujų burbuliukai gali įstrigti siaurų vertikalių vamzdžių viduje? Atsakymas gali padėti paaiškinti natūralių dujų, įstrigusių akytose uolienose, elgseną.
Prieš metus fizikai pastebėjo, kad dujų burbuliukai pakankamai siaurame vamzdyje, užpildytame skysčiu, nejuda. Bet tai yra „savotiškas paradoksas“, - teigė vyresnysis autorius Johnas Kolinski, Šveicarijos federalinio technologijos instituto Lozanos (EPFL) mechanikos inžinerijos katedros docentas.
Taip yra todėl, kad dujų burbulas yra mažiau tankus nei aplink jį esantis skystis, todėl jis turėtų pakilti iki vamzdžio viršaus (lygiai taip pat, kaip oro burbuliukai putojančio vandens stiklinėje pakils į viršų). Be to, vienintelis skysčio pasipriešinimas tekėjimui atsiranda, kai tas skystis juda, tačiau tokiu atveju skystis stovi vietoje.
Kolinski ir Wassim Dhaouadi, kurie tuo metu buvo bakalauro inžinerijos studentai, tuo metu dirbę Kolinski laboratorijoje ir dabar baigiantys magistro laipsnį ETH Ciuriche, nusprendė išspręsti užsispyrusio burbulo atvejį, norėdami jį išmėginti, naudodami metodą, vadinamą „trukdžių mikroskopija“. " Šis metodas yra tas pats, kurį naudoja Lazerinio interferometro gravitacinių bangų observatorijos (LIGO) detektorius, norėdamas rasti gravitacines bangas, sakė Kolinski.
Tačiau šiuo atveju tyrėjai panaudojo pagal užsakymą pagamintą mikroskopą, kuris šviečia ant mėginio ir matuoja atgal kylančios šviesos intensyvumą. Atsižvelgiant į tai, kad šviesa atsitraukia skirtingai, atsižvelgiant į tai, į ką ji patenka, matuojant atgal kylančią šviesą, tyrėjai gali padėti išsiaiškinti, kokia yra „stora“ medžiaga. Tokiu būdu jie patikrino plūduriuojančio burbulo įstrigimą plono vamzdelio, užpildyto alkoholiu, vadinamu izopropanoliu, viduje. Alkoholis leido jiems atlikti „savaiminio apsivalymo eksperimentą“, kuris buvo būtinas, nes rezultatus būtų suklaidinę bet kokie užteršimai ar nešvarumai “, - teigė Kolinskis.
Pradėję nuo septintajame dešimtmetyje mokslininko, vardu Brethertonas, tyrėjai šį reiškinį tyrinėjo teoriškai, tačiau jis niekada nebuvo tiesiogiai išmatuotas. Kai kurie skaičiavimai rodo, kad burbulą supa labai plonas skysčio sluoksnis, liečiantis vamzdelio šonus, kurio dydis pamažu mažėja ir ilgainiui išnyksta, sakė Kolinski. Tas plonas sluoksnis sukuria pasipriešinimą burbulo judesiui, kai jis bando pakilti.
Tyrėjai iš tiesų pastebėjo šį labai ploną sluoksnį aplink dujų burbulą ir išmatavo, kad jo storis yra maždaug 1 nanometras. Būtent tai numalšina burbulo judėjimą, kaip prognozavo teorinis darbas. Bet jie taip pat nustatė, kad skysčio sluoksnis (susidarantis dėl to, kad dujų burbule slėgis prispaudžiamas prie vamzdžio sienelių) neišnyksta, o visą laiką būna pastovaus storio.
Remdamiesi plono skysčio sluoksnio matavimais, jie taip pat sugebėjo apskaičiuoti jo greitį. Jie nustatė, kad dujų burbulas visiškai neužstrigo, o juda „ypač lėtai“ tempu, nematomu plika akimi, dėl plono sluoksnio sukelto pasipriešinimo, sakė Kolinskis. Tačiau jie taip pat nustatė, kad kaitindami skystį ir burbulą jie sugebėjo priversti ploną sluoksnį išnykti - tai buvo nauja idėja, kurią galėtų būti „įdomu“ ištirti būsimuose tyrimuose “, - pridūrė jis.
Jų išvados galėtų padėti informuoti žemės mokslų sritį. „Kai tik turite dujas, kurios yra uždaroje terpėje“, tokias kaip gamtinės dujos poringoje uolienoje arba jei bandote eiti priešinga kryptimi ir gaudyti anglies dioksidą uolienų viduje, tuomet turite daugybę dujų burbuliukų, esančių Kolinski sakė uždaras erdves. "Mūsų pastebėjimai yra svarbūs fizikai, kaip šie dujų burbuliukai yra ribojami."
Tačiau kita jaudulio dalis yra tai, kad šis tyrimas rodo, „kad žmonės visais savo karjeros etapais galėtų įnešti vertingų indėlių“, - teigė A. Kolinskis. Dhaouadi „paskatino projektą sėkmingo rezultato link“, - teigė Kolinskis.
Išvados buvo paskelbtos gruodžio 2 d. Žurnale „Physical Review Fluids“.
