Komerční prezentace
Registrace uživatele

Přihlašte se k odběru informací, novinek, získejte přístup do diskuzního fóra.

Vesmír č. 10
Vesmír č. 10
Toto číslo vychází
2. 10. 2017
Novinky
Zdarma jedno celé číslo Vesmíru v pdf.
• Říjnové číslo Vesmíru
reklama

Odpověď na každou otázku

Proč ani v ustálené kapalině nestoupá bublinka plynu přímočaře vzhůru, ale dostává se do pohybu, který mně, laikovi, při zběžném pozorování připomíná pohyb po kuželu obráceném špičkou dolů (či po šroubovici se stále větším poloměrem)?1) (Dr. Ondřej Stehlík, Praha 8)
Publikováno: Vesmír 78, 452, 1999/8
Obor: Fyzika

Na rozdíl od poklidně klesajících tuhých kuliček se plynové bubliny mohou cestou k hladině deformovat. Plyn v bublině se rozpíná, jejímu neomezenému zvětšování však brání vnější hydrostatický tlak kapaliny spolu s povrchovým napětím. Změny tvaru bublin jsou navíc provázeny pohybem okolní kapaliny, který závisí na tom, jak je kapalina hustá a viskózní – jinak se chová voda a jinak pivo či sprchový gel, které změnám tvaru bublin i jejich stoupání k hladině kladou větší odpor. Poblíž povrchu pohybujících se bublin působí síly tření, jež souvisí s viskozitou kapaliny, a za rychle stoupajícími velkými bublinami vznikají víry (oba tyto jevy mají vliv na aktuální rozložení tlaku na povrchu bubliny).

Souhrou vyjmenovaných sil mohou stoupající bubliny periodicky měnit svůj objem i tvar. Připomíná to chování závaží zavěšeného na pružině a rozkmitaného vychýlením z rovnovážné polohy. Roli, kterou u rozkmitané pružiny hraje tíha závaží spolu s tuhostí pružiny, přejímá u kmitajících bublin tlak okolní kapaliny s povrchovým napětím. Kinetická energie závaží je nahrazena kinetickou energií kapaliny uvedené do pohybu změnami tvaru a stoupáním bubliny.

Tvarové oscilace, a tudíž i výsledný charakter pohybu bublin k hladině, závisí na velikosti bublin. Malé bublinky mají povrchové napětí dostatečně velké, aby jim vnutilo sférický tvar. Chovají se podobně jako malé tuhé kuličky a k hladině stoupají přímočaře. Kdyby měl čtenář před sebou místo sodovky sklenici piva s jemnými bublinkami, jejichž údělem je spojit se v bílé pěně, možná by se na tento zajímavý problém vůbec nezeptal. Překročí-li však průměr bublinek zhruba dva milimetry (údaj platí pro vodu za pokojové teploty), nabudou na významu místní rozdíly v rozložení tlaku na povrchu bubliny, které souvisí s jejím pohybem ve viskózní kapalině. Bublina se počne všelijak deformovat a odchylovat od ideálního sférického tvaru, což nutně ovlivní její pohyb i víry, které nechává za sebou. Zpětně to ovlivní rozložení tlakových sil, jež bublinu deformují, a nastanou tvarové oscilace spojené s periodickými změnami směru pohybu k hladině. Jedna bublina může oscilovat v navzájem kolmých směrech a s určitým fázovým posunem mezi jednotlivými typy kmitů. Skládáním navzájem kolmých vlnivých pohybů (jejich amplituda navíc s časem roste, protože se cestou k hladině v klesajícím hydrostatickém tlaku zvětšuje průměr bubliny) může dráha stoupající bubliny získat podobu spirály o rostoucím poloměru.

Čím je počáteční velikost bublin větší, tím rychleji stoupají k hladině, a tak se jejich tvar stále víc odchyluje od kulové podoby. Mohou se dokonce protáhnout natolik, že získají hřibovitý či zvonovitý tvar (ve vodě to dělají asi osmimilimetrové bubliny). Protažením tvaru poklesne vliv vírů za bublinami na směr jejich pohybu. Pak stoupají téměř přímo k hladině. Bubliny ještě větší, zhruba dvanáctimilimetrové, se mohou při stoupání zplošťovat způsobem, který připomíná mávání ptačích křídel. Někdy se od okrajů velikých bublin v důsledku proudění okolní kapaliny odtrhávají malé bublinky. V láhvi perlivé vody můžeme také postřehnout, že i zhruba stejně velké bubliny často putují k hladině odlišnými způsoby. Záleží to na počátečním směru pohybu při jejich odtržení od povrchu nádoby, kde vyrostly. Jinak se pohybují bubliny odskakující od svislých stěn, jinak bubliny stoupající od dna sklenice.

Literatura

Geguzin J. E., Puzyry (Bubliny). Nauka, Moskva 1985
New Scientist: www.newscientist.com/lastword/lastword.html

Poznámky

1) Vlnivý pohyb bublin zaujal také Leonarda da Vinci, který již před zhruba 500 lety popsal některé jeho podoby (pozn. autor).

Pro hravé čtenáře vybírám z citované internetové stránky návod na přípravu tekutiny, z níž lze vyfouknout obří mýdlové bubliny, které neprasknou okamžitě po dopadu na zem: 25 ml mýdla rozpustíme v 55 ml vody a doplníme glycerinem na konečný objem 85 ml. Necháme několik dnů odstát a výlet zpátky do dětství může začít.

Soubory

Článek ve formátu PDF: 1999_V449-452.pdf (135 kB)

Diskuse

Žádné příspěvky