يمكن أن يكون أبسط الأشياء الجوانب الأكثر غرابة وحتى غير مستكشفة. من سن مبكرة نحاول أن نفهم طبيعة كل ما يحيط بنا. كيف يعمل الضوء في الثريا ، ولماذا السماء زرقاء ، حيث تمطر ، والليمون الحامض ، والسكر الحلو - هذه مجرد قائمة صغيرة من الأسئلة التي يمكن للطفل الغريب طرحها في فترة زمنية قصيرة جدًا. في حالة نشأتك ، نحن لسنا مهتمين جدًا بمثل هذه الأشياء ، مع الاهتمام بشيء أكثر أهمية ، في رأينا. ولكن فهم طبيعة البساطة ، للوهلة الأولى ، يمكن أن تكون الأمور ذات فائدة كبيرة.
اليوم سنتعرف على دراسة غير عادية حاول فيها العلماء فهم آلية تدمير الرغوة. هل تساءلت يومًا عن سبب كون الرغوة الموجودة في كابتشينو ليست متينة كما نود؟ إذا تم إخبارك أنك ببساطة لا تعرف كيفية طبخها ، فستكون لديك الآن حجة مضادة علمية. أي تسلسل للأحداث يؤدي إلى تدمير بنية الرغوة ، وما هو المحفز لهذه العملية وما هو استخدام هذه المعرفة؟ سوف نجد إجابات لهذه الأسئلة وغيرها في تقرير مجموعة الأبحاث. دعنا نذهب.
أساس الدراسة
بغض النظر عن مدى بساطة الرغوة التي قد تبدو للوهلة الأولى ، فإنها تظل نظامًا معقدًا مع مرحلة تشتت بالغاز ووسط تشتت سائل / صلب. إذا تحدثنا عن الرغوة الأكثر شيوعًا ، والتي تتكون من فقاعات الغاز والأفلام السائلة ، فإن مثل هذا الهيكل يعتبر نظامًا غير متوازن. يمكن أيضًا تسمية الرغوة بنظام متعدد الاختراق نظرًا لحقيقة أن الفقاعات المركبة يمكن أن تكون بأحجام مختلفة تمامًا. بالإضافة إلى ذلك ، تكون الرغوة غير مستقرة جدًا وبالتالي فهي ذات نظام قصير العمر نظرًا لحقيقة أن كثافة السائل أعلى أو حتى آلاف المرات من كثافة الغاز.
على الرغم من ذلك ، فإن الرغاوي شائعة جدًا في حياة الإنسان وتستخدم في مختلف المجالات. وهي موجودة في الحياة اليومية (الكريمة المخفوقة ، رغوة الحلاقة ، إلخ) ، في التكنولوجيا الحيوية (الرغوة في المفاعلات الحيوية) ، في التكنولوجيا الكيميائية (تعويم الرغوة) ، وحتى في الصيدلة. إذا درسنا الآلية الكامنة وراء عملية تدمير الرغوة ، فيمكننا جعلها أكثر دواما ، كما يقول الباحثون أنفسهم.
يشيرون في عملهم إلى ثلاث عمليات رئيسية تنظم ديناميات الرغوة: التوسيع والصرف والتدمير. التوسيع هو عملية تقليل عدد الفقاعات ، ولكن زيادة حجمها ، والتي تسببها ضغوط مختلفة بين الفقاعات. التجفيف هو عملية ترقق الأفلام ، أي جدران الفقاعات ، بسبب تدفق الماء تحت تأثير الجاذبية.
لقد تم بالفعل دراسة هاتين المرحلتين من عمر الرغوة بشكل جيد ، وكذلك بشكل عام عملية التدمير. لقد أظهرت الدراسات السابقة أن تدمير الفقاعة يحدث عندما يتم الوصول إلى الحد الأدنى من
الالتحام * في جزء حجم السائل.
الائتلاف * - اندماج الجزيئات داخل وسيط متنقل (على سبيل المثال ، فقاعات في الرغوة).
كما تم تأسيس علاقة بين تدمير الفقاعة وإعادة
ترتيب T1 * عن طريق إدخال هواء إضافي في النظام.
عملية T1 * أو إعادة ترتيب T1 * هي عملية تغيير شكل المواد الخلوية (الرغوة ، الأنسجة البيولوجية ، إلخ) ، التي تتكون من قطرات ، حويصلات ، خلايا.
في بداية العملية ، هناك 4 كائنات (A و B و C و D). A و B على اتصال ، C و D تقعان على جانبي AB ، أي أنهم ليسوا على اتصال مع بعضهم البعض. قطع الاتصال بين A و B مع إنشاء اتصال لاحق بين C و D - هذه هي العملية T1.
في لحظة تدمير الفقاعة ، يمكن للمرء أن يسمع "فرقعة" طفيفة (إطلاق غاز). من خلال قياس وتحليل البيانات الصوتية في وقت تدمير الرغوة ، توصل العلماء إلى أن هذه العملية تحدث بسبب الانهيار الجماعي للفقاعات (CCP) ، بمعنى آخر ، الانهيار المتتالي.
لكن KKP ليست سوى قمة جبل الجليد ، والآلية نفسها ، التي تطلقها موضع التنفيذ ، غير معروفة. هذه هي الطريقة التي نفهم أن سلسلة الدومينو قد تم تدميرها ، لأن الدومينو تقع على بعضها البعض ، لكن لا تعرف من كان أولها وأنه تم تخطيها (رمز رمزي تقريبي ولكنه مفهوم).
في هذا العمل ، استخدم العلماء رغوة شبه ثنائية الأبعاد باعتبارها "تجريبية" ، على حافة انفجار فقاعة واحدة. لاحظ العلماء سلسلة تدمير الرغوة بأكملها باستخدام كاميرا عالية السرعة ، وبعد ذلك قاموا بتحليل السجلات. تم إنشاء آليتين من انتشار الانهيار: الانتشار والاختراق.
مع زيادة
φ (حجم الكسر) ، يصبح من الصعب أكثر فأكثر على القطرات السائلة اختراق الأفلام السائلة ، مما يتسبب في انخفاض الفيلم عن الأفلام بسبب مرونته أو امتصاص القطرات بواسطة الفيلم. المزيد عن هذا في نتائج الملاحظات.
نتائج البحوث
وقد لوحظت عملية CCP (انهيار الفقاعة الجماعية) بقيم مختلفة من
φ . لذلك ، على سبيل المثال ، تُظهر الصورة
1 أ CCP من الوقت
t = 0 ms إلى 3.12 ms لـ
φ = 0.0099.
الصورة رقم 1
عملية CCP ( t = 0 ... 3.12 مللي ثانية ، φ = 0.0099).تم استخدام إبرة من الزجاج الشعري لثقب الفقاعة. لوحظ انهيار الفقاعات في بداية عملية CCP على الحواف الخارجية للرغوة ، والتي قرر العلماء استدعاء تأثير السطح. بعد ذلك ، تبدأ عمليتا CCP داخل الرغوة نفسها ، إذا جاز التعبير في الحجم الكلي: الانتشار والاختراق.
عندما يتمزق الفيلم السائل ، يتم امتصاصه بسرعة بواسطة قناة الهضبة.
وفقًا لقانون الهضبة ، فإن حواف الفقاعة في الرغوة عبارة عن قنوات مملوءة بوسط تشتت. ثلاثة أفلام فقط تقع في زوايا 120 درجة يمكن أن تتلاقى في قناة واحدة.
هيكل الخلية (فقاعة) من الرغوة.
نظرًا لتأثير الامتصاص القوي ، فإن الفيلم السائل التالي المتقارب في قناة الهضبة نفسها ينكسر أيضًا (الدائرة الحمراء في
1 أ ). هذه العملية المتتالية (تتالي) لتدمير فقاعات الرغوة هي واحدة من عمليات CCP - الانتشار (
1 ب ).
في الوقت نفسه ، يتم إطلاق قطرة من السائل (دوائر زرقاء وخضراء على
1 أ ) في وقت امتصاص الفيلم المتفجر بواسطة قناة Plateau. تسقط القطرات في الرغوة في الفيلم الذي تمت إزالته بواسطة السائل (الأسهم في
1 أ ). كانت سرعة هذه القطرات (V
d ) حوالي 3 م / ث. تؤدي عملية CCP هذه ، المسماة الاختراق ، إلى تدمير الأفلام التي تمت إزالتها (
1 ب ).
يحدث الانهيار التام أثناء التدمير المتعدد الجوانب لأفلام الفقاعات من خلال كل من متغيرات CCP.
إذا
تم رفع to إلى 5 0.015 ، فإن احتمال حدوث قطرة من السائل في وقت تدمير فيلم الفقاعة تقل بشكل كبير. كما تقل سرعة القطرات التي نشأت ، مما يجعل من الصعب على القطيرات اختراق الأفلام التي تمت إزالتها. بدلا من الاختراق ، وانخفاض مستبعد.
ارتداد متقطع (بدلاً من الاختراق) عند 5 ≥ 0.015.
الصورة رقم 2توضح الصورة أعلاه كيف ترتد إحدى الأفلام في غضون 30 مللي ثانية (الخط المتقطع هو مسار الهبوط).
بقياس سرعة الحبرية (V
d ) بعد كل انتعاش ، يمكننا رسم اعتماد V
d على عدد السكتات الدماغية (n
i ).
الصورة 3: السرعة مقابل عدد مرات الارتداد.كما هو متوقع ، تنخفض سرعة القطيرات مع زيادة عدد مرات الارتداد. في هذه الحالة ، من الممكن تحديد معامل استرداد الفيلم كـ
e = | V
d (i + 1) | / | V
d (i) | ، حيث | V
d (i) | - سرعة قطرة بعد انتعاش ط عشر. باستخدام بيانات الرصد ، وجد أن
e = 0.50 ~ 0.74. بعد انتعاش إيث ، يتم امتصاص القطرة بواسطة الفيلم السائل.
مع زيادة أخرى في
φ (> 0.022) ، يتم امتصاص الفيلم بنجاح بواسطة قناة Plateau ، ولكن لا تظهر قطرات السائل. فقاعات على طول حافة الرغوة تنفجر من تأثير السطح حتى عند قيم أعلى من
φ ، ولكن يتم تقليل عدد هذه الفقاعات إلى حد كبير ، وتتوقف عملية الانهيار بسرعة. بمعنى آخر ، لا تحدث عملية CCP.
بعد ذلك ، درس العلماء اعتماد عدد الفقاعات المتفجرة على المؤشر φ. تتكون مجموعة الفقاعات المنهارة (
المجموع الكلي ) من الفقاعات التي تنفجر عند حافة الرغوة بسبب تأثير السطح ، وتلك التي تنهار بسبب الاختراق والانتشار.
أيضًا في الحسابات ، يتم استخدام المؤشر N
الداخلي - عدد الفقاعات المنهارة في حجم الرغوة مطروحًا منها الحواف الخارجية. تم حساب تدمير الفقاعات من الأولى إلى آخر الفقاعة ، والتي استغرقت حوالي 0.04 ثانية.
الصورة رقم 4توضح الصورة أعلاه
إجمالي N (أحمر) و N
داخلي (أزرق) بالنسبة إلى
φ . تتوافق المثلثات والدوائر والمربعات مع N
الإجمالي أو N
الداخلي عند N
f ~ 200 لتركيزات الجلسرين بنسبة 9.4٪ و 17.8٪ و 29٪ على التوالي (N
f هو إجمالي عدد الفقاعات في الرغوة).
كما نرى من الرسم البياني ، فإن قيمة N
total و N
الداخلية تنخفض بزيادة
φ . بتطبيق
قانون القوة * ، وجد العلماء أن N
داخلي at φ −γ e في γ
e = 2.3 ± 0.36.
قانون القوة * هو الاعتماد الوظيفي لكميتين عندما يؤدي التغيير في أحدهما إلى تغيير نسبي في الآخر.
وقد وجد أيضا أن المؤشرات N
الكلية والداخلية N لا تعتمد على تركيز الجلسرين ، إذا كان أقل من 29 ٪. إذا زاد التركيز إلى 40٪ ، يصبح من الصعب اختراق الفقاعة ، ولا تحدث عملية CCP.
أوضحت دراسة الفقاعات المنهارة في حالة رغوة أكبر (N
f ~ 500) أن عددها لا يعتمد على العدد الإجمالي للفقاعات (الماس في الرسم البياني أعلاه) ، أي أن N
total و N
داخلي مستقل عن N
f .
كما نتذكر ، تم استخدام إبرة زجاجية للثقب. كانت مغلفة بشحوم السيليكون لتحسين الثقب. لقد فحص العلماء كيف يؤثر هذا على قيم N
total و N
الداخلية من خلال عمل ثقوب دون تزييت. وهكذا ، نشأت عملية CCP بشكل تلقائي. ومع ذلك ، كما يتوقع المرء ، لم يؤثر استخدام زيوت التشحيم على عدد الفقاعات المنهارة وعملية CCC ككل.
إذا كانت
φ صغيرة ، يكون شكل كل فقاعة متباينًا وتشكل الفقاعات المشوهة نوعًا من السلسلة. تتميز الفقاعات ذات الشكل المتباين الخواص و / أو الحجم الكبير بالطاقة السطحية الزائدة الكبيرة ، وبالتالي ، يتم تدميرها بسهولة أكبر.
بالنظر إلى هذا ، قرر العلماء التحقق من العلاقة بين CCP وشكل الفقاعات. لهذا ، تم استخدام المعلمة λ كخاصية تباين الفقاعة
i .
is أنا تحددها الصيغة التالية:
حيث
j هي البيكسل على حافة الفقاعة ،
n هو العدد الكلي للبكسل
j ، r
j هي المسافة بين مركز الفقاعة
i و pixel
j ،
r هي متوسط المسافة r
j .
will
سأكون مساويًا للصفر إذا كانت الفقاعة الأولى مستديرة. إذا كان متباين الخواص ، فعندئذ λ
i > 0.
الصورة رقم 5تُظهر الصورة
5 أ الرغوة عند 86 = 0.0086 قبل بداية عملية CCP. فقاعات ملونة من الأسود (more
أنا أكثر) إلى الأبيض (less
أنا أقل). تشير النقاط الحمراء إلى أن الفقاعات قد انهارت خلال CCP.
لقد وجد العلماء أن الفقاعات الموجودة على اليسار قد تم تدميرها بالتساوي. يوضح الرسم البياني
5 ب توزيع الاحتمال كدالة لمتوسط قطر الفقاعة
i (d
i ) قبل وبعد PEC لجميع الفقاعات. تم حساب القطر (d
i ) عن طريق حساب متوسط المسافة بين المركز وواجهة الفقاعة. كما نرى ، فإن شكل توزيع الاحتمالات على الرسم البياني بعد CCP هو نفسه كما كان قبل CCP.
على الرسم البياني
5c ، نسبة القطر بعد CCP (d
a ) و CCP (d
b ). من الواضح ، d
a = d
b ، أي أن قطر الفقاعات لم يتغير أثناء انهيار التتالي.
يوضح الرسم البياني
5d λ
i (خاصية تباين الفقاعات) قبل الانهيار وبعده. لم يتغير هذا المؤشر أيضًا ، على الرغم من انهيار التعاقب (λ
a (قبل CKP) = λ
b (بعد CKP) ؛
5e ).
تشير كل هذه الملاحظات إلى أن شكل الفقاعات لا يتغير نظرًا لتدمير الرغوة المتتالية ، وكذلك أن الشكل لا يؤثر على هذه العملية.
العامل المحتمل التالي الذي يؤثر على عملية تدمير الرغوة هو التأثير الميكانيكي لفيلم الفقاعة الممزقة على جيرانها. لتحديد تأثير هذا العامل ، قام العلماء بقياس معدل تمزق الفيلم بتركيز الجلسرين بنسبة 17.8 ٪ باستخدام الصيغة V =
l /
t ، حيث
l هو طول الفيلم و
t هو الوقت اللازم لامتصاص الفيلم من البداية إلى النهاية.
الصورة رقم 6يوضح الرسم البياني
6 أ اعتماد V على
φ في شكل رسم بياني لوغاريتمي. تظهر الحسابات أن V ~ 10 م / ث بتركيز الجلسرين من 17.8 ٪ (الدوائر على الرسم البياني). في حالة تركيز الجلسرين بنسبة 29 ٪ ، لم يتغير المعدل عمليا (المربعات على الرسم البياني).
مع زيادة
φ ، تتناقص السرعة ، بسبب ارتداد الأفلام المتكونة أثناء تمزق القنوات الأخرى ، ونتيجة لذلك ، تمتصها.
كما تمت دراسة العلاقة بين السرعة والضغط الاسموزي (
6 ب ).
صيغة الضغط لرغوة ثنائية الأبعاد هي كما يلي:
حيث
σ هو التوتر السطحي ،
R هو نصف قطر متوسط الفقاعة ،
φ J هي نقطة الوتد البالغة 0.16 في بعدين.
استخدم العلماء في عملهم المؤشرات التالية:
σ = 37 mN / m و
R = 1.7 mm.
إذا افترضنا أن سماكة طبقة الفيلم تساوي 1 ميكرون ، يكون الاعتماد النسبي لـ V على Π (
6b ) مرئيًا. لذلك ، فإن القوة الدافعة للامتصاص هي الضغط السلبي في الفيلم.
وأخيرا ، أجرى العلماء تحليلا لنسبة N
الداخلية والسرعة V (الصورة أدناه).
الصورة رقم 7لقد وجد العلماء أن مؤشر N
الداخلي يزيد بشكل كبير مع زيادة معدل تدفق الفيلم. وبالتالي ، يمكننا أن نستنتج أن عملية الاختراق هي عنصر حاسم في عملية انهيار الرغوة العامة.
للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بأن تنظر في
تقرير العلماء .
خاتمة
في هذا العمل ، تمكن العلماء من معرفة أنه في وقت تدمير الرغوة ، يلعب الدور الرئيسي في عمليتين - الامتصاص والتوزيع. بالإضافة إلى ذلك ، وجد العلماء أن الزيادة في نسبة السائل ، تنخفض سرعة القطرات التي تحدث أثناء تدمير فيلم الفقاعة. لذلك ، من الصعب تدمير كل الرغوة. بدلاً من امتصاص قطرة بفيلم بعيد آخر ، تحدث قطرة متعددة من القطرة ، وعندها فقط الامتصاص.
يعتزم العلماء مواصلة دراسة الرغوة لفهم نقاط القوة والضعف فيها. في رأيهم ، فإن هذا العمل سوف يحسن الرغوة ، مما يجعلها أكثر دواما واستقرارا. ويمكن أن تكون هذه المزايا مفيدة في كل من الحياة اليومية وفي المختبرات المشاركة في إنتاج ودراسة مختلف المواد والمواد الكيميائية والبيولوجية وغيرها.
من كان يظن أنه في القرن الحادي والعشرين ، سيدرس العلماء بالفعل رغوة البيرة ، ويبحثون عن طرق لجعلها أقوى. ولكن ، بغض النظر عن مدى غرابة الأمر ، فإن أي معرفة مهمة ، هناك حاجة إلى أي معرفة. إن فهم العالم من حولنا وكل ما يملأه يتيح لنا استخدام أفضل لما تم اختراعه أو اكتشافه منذ فترة طويلة ، أو تحسينه وفقًا للظروف المتغيرة باستمرار في حياتنا.
شكرا لك على اهتمامك ، ابقَ فضوليًا ولديك أسبوع عمل جيدًا يا شباب! :)
شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ،
خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).
ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ فقط لدينا
2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجا بايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت ذاكرة DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولار اقرأ عن
كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟