Новости в фейсбук

Физики послушали лопающийся мыльный пузырь

Физики измерили звуковое давление лопающихся мыльных пузырей при помощи микрофонной решетки (множества приемников звука, работающих согласованно) и проанализировали результаты при помощи разложения акустического поля по сферическим волнам. Опираясь на теоретические основы аэроакустики, физики доказали, что звук лопающегося пузыря — прямое следствие сжатия воздуха силами поверхностного натяжения мыльной пленки. Сравнив экспериментальные данные с результатами моделирования разрыва мыльной пленки, они установили зависимость между акустическим профилем сигнала и количественными параметрами этих моделей. Работа ученых опубликована в журнале Physical Review Letters.

Мыльные пузыри используют не только на детских площадках. В физических лабораториях интерес к ним ничуть не меньше: физики учатся правильно надувать пузыри, делать их рекордно большимии разбираются в их замерзании. Но, как и каждый ребенок, физики знают, что самое интересное — не надуть пузырь, а лопнуть его.

Существование мыльного пузыря оказывается возможным благодаря равенству сил, действующих на его оболочку. Давление воздуха внутри него выше, чем окружающее его атмосферное давление, поэтому внутренний объем воздуха старается расшириться и разорвать мыльную пленку, в которую он заключен. Ему противодействует сила поверхностного натяжения: она сдерживает воздух внутри пузыря аналогично тому, как силы упругости резины сопротивляются расширению сжатого воздуха внутри воздушного шарика. В спокойном воздухе все силы уравновешивают друг друга, и когда мыльный пузырь обретает сферическую форму, площадь его поверхности оказывается минимальной.

Как правило, такое гармоничное равновесие продолжается недолго. Даже если внешние воздействия не успевают повредить пузырь, он все равно довольно быстро лопается. Под действием силы притяжения слои пленки стекают сверху вниз, из-за чего верхушка пузыря становится тоньше с течением времени. Когда ее толщина достигает критического значения, пленка разрывается, высвобождая воздух внутри себя. Не скомпенсированная сила поверхностного натяжения продолжает сжимать пленку, еще сильнее ускоряя воздух. Этот процесс можно увидеть на кадрах высокочастотной съемки или услышать: когда пузырь лопается, он издает характерный высокочастотный хлопок, вызванный перепадом давления.

 

Схема разрыва оболочки мыльного пузыря. Маленькими фиолетовыми стрелочками показано направление действия силы поверхностного натяжения. Большая фиолетовая стрелка - результирующая.

Adrien Bussonni`ere et al./ Physical Review Letters, 2020

Французские физики во главе с Адриен Буссонниером (Adrien Bussonnîere) помещали мыльные пузыри объемом 1 и 0,5 миллилитра внутрь полукруглой антенны из восьми пьезоэлектрических и двух широкополосных микрофонов, которые регистрировали акустическое поле лопающихся пузырей. Оценив вклады разных типов излучений, ученые пришли к выводу, что акустическое поле лопающегося мыльного пузыря определяет дипольное излучение (это тип излучения, который производят две близко расположенные друг к другу пульсирующие сферы) и дальше работали в этом направлении. На основе двух моделей разрыва оболочки мыльной пленки — квазистатической и неравновесной — ученые построили предполагаемый профиль сигнала и получили довольно хорошее совпадение с сигналом, полученным в эксперименте.

 

 

Вклад различных типов излучения. Голубая линия - монопольное, оранжевая - дипольное, желтая - квадрупольное излучение.

Adrien Bussonni`ere et al./ Physical Review Letters, 2020

Профиль акустической волны с нижнего () и верхнего () микрофонов. Черная штрихованная линия - предсказание квазистатической, черная сплошная - предсказание неравновесной модели.

Adrien Bussonni`ere et al./ Physical Review Letters, 2020


 

Своим исследованием ученые доказали, что описание акустического излучения лопающегося мыльного пузыря полностью согласуется с современным пониманием динамики стягивания мыльной пленки. По их мнению, этот важный вывод открывает дорогу новым акустическим исследованиям процессов с резко изменяющимися поверхностями жидкостей. Возможно, в будущем подобная акустическая установка сможет дополнять информацию, полученную с высокоскоростных камер.

 

Акустики и раньше не сидели сложа руки. С помощью фотоакустического эффекта они смогли передать звук в ухо с помощью лазера, изобрести акустический «притягивающий луч» и построитьакустический изолятор Черна.

Олег Макаров

Источник: N+1