作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 在崩溃中期拍摄的气泡胶片上形成的波纹效应
图像学分:奥利弗·麦克雷/波士顿大学，学分:科学进步，doi: 10
1126/科学
aba0593 《科学》杂志最近的一张专题封面照片描绘了一个处于崩溃中期的泡沫，该照片是根据亚历山大·T
奥蒂斯等人
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小组展示了当泡沫破裂时有趣的波浪形图案的形成
他们在实验室里使用复杂的照明装置和快速快门，完美地对准捕捉短暂的瞬间，在一秒钟内，他们拍摄了从周围致密硅油介质中出现的微小气泡
粘性气泡的破裂和坍塌在自然界和工业应用中普遍存在
这种现象伴随着产生径向褶皱的弹性片
虽然薄膜的重量似乎在薄膜塌陷和起皱不稳定期间起着主导作用，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
基于流体力学的现象
显示表面张力是在塌陷过程中引发动态屈曲不稳定性和起皱行为的驱动因素，伴随着弯曲粘性和粘弹性膜的破裂
研究工作与理解工业和化学应用相关，包括呼吸道呼气事件产生的气溶胶
薄板起皱 理解气泡的形成很重要，因为它们在自然界和工业应用中无处不在，包括玻璃制造过程中的气泡收集、喷漆、放射性废物处理和火山爆发
弹性片在压缩应力下会起皱，因为它们需要比压缩更少的能量来弯曲
在最近的研究中，研究人员专注于理解当薄弹性片被拉伸、戳或缠绕在弯曲物体上时发生的弯曲变形
类似地，当上升的气泡到达表面破裂时，粘性液体也会在“降落伞不稳定”过程中弯曲
浮出水面后，气泡由球形帽形式的薄液膜组成，并由截留在其中的气体支撑
气泡破裂过程中产生的褶皱是由于塌缩薄膜的重量导致截留气体逸出
奥蒂斯等人
表明起皱不稳定性并不特别依赖于重力或实验上形成的允许截留气体从气泡中逸出的孔的存在
麦克雷的复杂照明装置拍摄了从高密度硅油中冒出的微小气泡
学分:科学进步，doi: 10
1126/科学
aba0593 概念证明 该团队进行了实验，并观察了硅油浴上塌陷气泡中皱纹的发展，以显示它是如何由表面张力而不是重力驱动的
为了验证这一假设，他们进行了一个气泡颠倒的实验，这种方法由于液体的粘性而变得容易
他们通过将气泡正面朝上并快速旋转样品使其在几秒钟内破裂来实现这一点
当倒置时，气泡膜在顶点处继续保持其形状和厚度
如果重力和粘度是这一过程的主要因素，那么在模拟中，反转的气泡会向下拉长
相反，研究小组注意到倒转的气泡在重力的作用下恢复原状，同时在气泡破裂的最后阶段形成褶皱，为他们提供了一个清晰的过程视图
气泡破裂而不破裂的机理
(一)示意图，说明用于使气泡破裂而不破裂的实验装置
当气泡破裂时，粘性薄膜获得与破裂速度成比例的径向速度Vr
在离中心径向距离为1的情况下，如果没有孔，皱纹仍然会出现
在气泡外围附近，径向和方位压缩率可以与径向速度Vr相关
(4)压缩的方位角速率导致压缩应力，尽管受到表面张力g的阻碍，该压缩应力倾向于弯曲板材的中心线，该表面张力g起到平滑表面的作用
(五)当气泡破裂时，皱纹在约25毫秒内生长和发展
学分:科学进步，doi: 10
1126/科学
aba0593 表面张力——驱动力 为了理解表面张力这一现象背后的驱动力，科学家们测量了表征坍塌时间尺度的关键参数
为此，奥蒂斯等人
实验过程中使用了不同粘度和不同膜厚的硅油
使用高速图像，他们计算了起皱开始时的代表性速度，并增加了硅油的粘度，以减缓塌陷
不出所料，较薄的泡沫破裂得更快
在这项工作中导出的模型显示了褶皱的数量如何强烈地依赖于引发气泡破裂的孔洞的大小
在实验演示过程中，该团队使用毛细管驱动装置消除了气泡表面的压差，该装置不会破坏薄膜，因此，该过程中产生的孔有效地诱导了气泡破裂，而不会破坏薄膜
粘性气泡膜破裂时的破裂
(一)如果在液体表面的气泡表面形成一个洞，那么压缩空气就会逸出，使重力和表面张力不平衡
(二)在粘性硅油池表面半径为1厘米的气泡破裂，破裂后其高度降低
随着泡沫的破裂，沿其外围出现了褶皱
(三)当泡沫迅速颠倒破裂时，它以类似的方式坍塌
(D和E)旋转样品，使其底部平行于重力方向，导致类似的塌陷(D)和皱纹仍然出现(E)
学分:科学进步，doi: 10
1126/科学
aba0593 实验结果与理论相当一致
系统中拉伸应力和压缩应力之间的竞争影响了片材中起皱图案的位置
奥蒂斯等人
使用从熔炉中提取的吹制熔融玻璃对较厚的结构进行了额外的实验，在这些实验中，他们允许截留的空气通过玻璃吹制管逸出
在这个过程中，吹制的玻璃塌陷成褶皱的形状
在这项工作中导出的模型对最薄薄膜的数据有局限性，在最薄的薄膜中，塌陷是如此突然，以至于起皱图案失去了对称性，无法跨越整个气泡
此外，该模型预测起皱不会在所有条件下发生
数据和模型预测的比较
(一)在不同取向和粘度的气泡上观察到的褶皱数n与方程式的标度一致
三
吹制玻璃上的褶皱(插图)也与这一趋势一致，尽管1D环模型(虚线)预计更适合这种近似圆柱形的几何形状
(二)褶皱薄膜的俯视图:(一)粘度m = 3000帕秒，纵横比h/R = 1
3 10–4，(ii) m = 3000帕·秒，h/R = 7
3 10–4，和(iii) m = 100帕·秒，h/R = 7
3 • 10–4
对于最薄的膜，褶皱的径向范围受到孔的尺寸的限制，而褶皱的位置通常随着膜粘度的降低而增加
(三)我们的分析预测在特定条件下惯性可以忽略不计(蓝色区域)
因为所有可用的数据(符号)都不在此范围内，所以我们将惯性效应纳入了我们的模型
分析预测，在(灰色区域)所示的条件下，没有足够的生长时间形成皱纹，与在最低薄膜粘度下没有观察到皱纹一致(白色三角形)
这里，厚度h是通过关系式h = γR/ V用塌缩速度V计算的
学分:科学进步，doi: 10
1126/科学
aba0593 通过这种方式，奥蒂斯和他的同事们证明了是表面张力，而不是重力，导致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，通过惯性、压缩和回折膜的粘性结合的同时相互作用来引发动态屈曲不稳定性
该工作提出了在快速压缩过程中具有类弹性不稳定性的粘性薄板
该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，该气溶胶与呼吸道粘弹性流体中薄气泡膜的破裂有关
目前的工作表明，在粘性膜破裂过程中，表面张力本身可能会促使这些膜发生屈曲不稳定性，从而折叠并截留空气，从而为雾化机理提供了更深入的见解
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
