Команда исследователей из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл сделала необычное открытие, которое меняет наше представление о пузырьках и их движении. Представьте себе крошечные пузырьки воздуха внутри контейнера, наполненного жидкостью. Когда контейнер встряхивают вверх-вниз, эти пузырьки совершают неожиданное ритмичное "галопирующее" движение — подпрыгивают, как игривые лошадки, и перемещаются горизонтально, хотя встряхивание происходит вертикально.
Это противоречащее здравому смыслу явление, выявленное в новом исследовании, опубликованном в Nature, имеет важное значение для технологий: от очистки поверхностей до улучшения теплопередачи в микрочипах и даже для космических приложений. Эти скачущие пузырьки уже привлекли к себе значительное внимание: их влияние на область гидродинамики было отмечено наградой за видеозапись на недавней выставке "Движение жидкостей", организованной Американским физическим обществом. Главный исследователь и профессор прикладной математики в Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл пояснил, что в конце концов, самые незначительные вещи иногда могут привести к самым большим изменениям.
Наше исследование не только даёт ответ на фундаментальный научный вопрос, но и пробуждает интерес к изучению увлекательного, невидимого мира движения жидкостей.
Педро Саэнс, автор работы
Простой вопрос, революционный ответ
В сотрудничестве с коллегой из Принстонского университета исследовательская группа попыталась ответить на, казалось бы, простой вопрос: могут ли пузырьки, если их встряхивать вверх-вниз, непрерывно двигаться в одном направлении? К их удивлению, пузырьки не только двигались, но и делали это перпендикулярно направлению встряхивания. Это означает, что вертикальные колебания спонтанно преобразовывались в устойчивое горизонтальное движение, что противоречит общепринятой физической интуиции. Более того, регулируя частоту и амплитуду встряхивания, исследователи обнаружили, что пузырьки могут переходить между различными режимами движения: прямолинейным, круговым и хаотичным зигзагообразным, напоминающим стратегии поиска бактерий.
Это открытие меняет наше представление о динамике пузырьков, которая обычно непредсказуема, превращая её в контролируемое и универсальное явление с широкими возможностями применения в теплопередаче, микрофлюидика и других технологиях.
Коннор Магун, соавтор открытия и аспирант по математике в Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл
Будущие инновации и реальные приложения
Пузырьки играют ключевую роль в огромном количестве повседневных процессов: от шипения безалкогольных напитков до регулирования климата и промышленного применения, такого как системы охлаждения, очистка воды и химическое производство. Управление движением пузырьков уже давно является сложной задачей во многих областях, но в этом исследовании представлен совершенно новый метод: использование нестабильности жидкости для точного управления пузырьками.
Одно из непосредственных применений — в системах охлаждения микрочипов. На Земле плавучесть естественным образом удаляет пузырьки с нагретых поверхностей, предотвращая перегрев. Однако в условиях микрогравитации, например в космосе, плавучесть отсутствует, что делает удаление пузырьков серьёзной проблемой. Этот недавно открытый метод позволяет активно удалять пузырьки, не полагаясь на гравитацию, что может улучшить теплоотдачу в спутниках и космической электронике.
Ещё один прорыв — в очистке поверхностей. Эксперименты, подтверждающие концепцию, показывают, что "скачущие пузырьки" могут очищать запылённые поверхности, подпрыгивая и перемещаясь по ним зигзагами, как крошечный робот-пылесос. Способность управлять движением пузырьков таким образом может привести к инновациям в промышленной очистке и биомедицинских приложениях, таких как целенаправленная доставка лекарств.
Недавно открытый механизм самодвижения позволяет пузырькам преодолевать большие расстояния и даёт им беспрецедентную способность перемещаться по сложным жидкостным сетям.
Сайфул Тамим, соавтор исследования
Научный сотрудник в Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл Сайфул Тамим добавил, что исследование может помочь решить давние проблемы в области теплопередачи, очистки поверхностей и даже вдохновить на создание новых мягких роботизированных систем.
Скачок вперед в исследовании пузырьков
Пузырьки воды завораживали учёных на протяжении веков. Леонардо да Винчи был одним из первых, кто задокументировал их хаотичное движение, описав, как они непредсказуемо вращаются, а не поднимаются вертикально вверх. До сих пор управление движением пузырьков оставалось сложной задачей, а доступных подходов было мало, и они не отличались универсальностью. Это новое исследование меняет ситуацию, демонстрируя, что пузырьками можно управлять, направляя их по предсказуемым траекториям с помощью тщательно настроенных вибраций.
Удивительно наблюдать, как что-то столь простое, как пузырь, демонстрирует такое сложное и неожиданное поведение.
Цзянь Хуэй Гуань, соавтор исследования
Научный сотрудник в Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл Цзянь Хуэй Гуань заметил, что используя новый метод перемещения пузырей, ученые открыли возможности для инноваций в самых разных областях — от микрофлюидики до теплопередачи. Открытие скачущих пузырей представляет собой значительный шаг вперёд в нашем понимании динамики пузырей и имеет далеко идущие последствия для различных отраслей. По мере того как исследователи продолжают изучать и совершенствовать это явление, мир, возможно, вскоре увидит новые технологии, использующие силу этих крошечных акробатических пузырей.
Добавим: на представленной видеозаписи пузырь диаметром 25 мм 3, вибрирующий вертикально с частотой f = 40 Гц, совершает осесимметричные колебания вокруг вертикальной оси, когда амплитуда возбуждения A = 0,2 мм ниже порога скачка, AG > A. Здесь Re = 20,5, Bo = 2,9, We = 36,2. Когда амплитуда возбуждения превышает порог скачка, A= 0,46 мм> AG, симметрия относительно вертикальной оси самопроизвольно нарушается, и пузырь начинает самопроизвольно перемещаться вдоль верхней стенки. Здесь Re = 46,1, Bo = 2,9, We = 36,2. В открытом космосе галопирующий пузырь может двигаться по прямым траекториям.
Индийские уличные собаки отдают предпочтение желтым мискам, даже пустым.
Фото и видео: Университет Северной Каролины в Чапел-Хилл, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-56611-5, YouTube / American Physical Society
Обсуждение ( 0 ) Посмотреть все