Una foto de portada de una función reciente en Ciencias retrató una burbuja en medio del colapso, basado en un estudio realizado por Alexandros T. Oratis et al. El equipo de investigación en ingeniería mecánica, matemáticas e ingeniería aeroespacial en la Universidad de Boston, El MIT y la Universidad de Princeton demostraron la formación de intrigantes patrones ondulantes cuando las burbujas colapsaron. Usando una configuración de iluminación compleja y una velocidad de obturación rápida en el laboratorio, perfectamente alineado para capturar un momento fugaz, dentro de un segundo, fotografiaron la pequeña burbuja que emerge de los medios circundantes de aceite de silicona denso.

La ruptura y el colapso de burbujas viscosas están muy extendidos en la naturaleza y en aplicaciones industriales. El fenómeno se acompaña de láminas elásticas que desarrollan arrugas radiales. Si bien el peso de la película pareció desempeñar un papel dominante durante el colapso de la película y la inestabilidad de las arrugas, en este trabajo, la gravedad pareció desempeñar un papel sorprendentemente insignificante. Basado en la mecánica de fluidos de los fenómenos, Oratis y col. mostró que la tensión superficial es el factor determinante durante el colapso para iniciar la inestabilidad dinámica del pandeo y el comportamiento del arrugado, acompañado de la rotura de películas viscosas y viscoelásticas curvadas. El trabajo de investigación es relevante para comprender las aplicaciones industriales y químicas, incluida la producción de aerosoles a partir de eventos de exhalación en el tracto respiratorio.

Arrugamiento de láminas delgadas

Comprender la formación de burbujas es importante debido a su ubicuidad en la naturaleza y las aplicaciones industriales, incluida la recolección de burbujas durante la fabricación de vidrio. pintura con pistola, eliminación de desechos radiactivos y en erupciones volcánicas. Las láminas elásticas pueden arrugarse bajo tensión de compresión, ya que requieren menos energía para doblarse que para comprimir. En estudios recientes, los investigadores se han centrado en comprender las deformaciones por flexión que se producen cuando se estira una lámina elástica delgada, empujado o envuelto alrededor de un objeto curvo. Similar, Los líquidos viscosos también pueden deformarse en un proceso que se observa como "inestabilidad del paracaídas" cuando una burbuja ascendente alcanza la superficie para romperse. Después de salir a la superficie, una burbuja consiste en una fina película líquida en forma de casquete esférico sostenida por el gas atrapado en su interior. Las arrugas que se desarrollan durante la ruptura de la burbuja lo hacen debido al peso de la película delgada que colapsa para permitir que escape el gas atrapado. Oratis y col. mostró que la inestabilidad de las arrugas no dependía específicamente de la gravedad o de la presencia de un agujero formado experimentalmente para permitir que el gas atrapado escape de la burbuja.

El equipo realizó experimentos y observó el desarrollo de arrugas en una burbuja que colapsaba en un baño de aceite de silicona para mostrar cómo era impulsada por la tensión superficial en lugar de la gravedad. Para probar la hipótesis, realizaron un experimento con burbujas al revés, un enfoque facilitado debido a la viscosidad del líquido. Lo lograron preparando la burbuja con el lado derecho hacia arriba y girando rápidamente la muestra para romperla en unos pocos segundos. Cuando se invierte, la película de burbujas continuó manteniendo su forma y grosor en el vértice. Si la gravedad y la viscosidad hubieran sido contribuyentes dominantes al proceso, las burbujas invertidas se habrían alargado hacia abajo como se ve en las simulaciones. En lugar de, el equipo notó que la burbuja invertida retrocedía contra la fuerza de la gravedad, mientras que las arrugas se formaron durante las etapas finales del colapso de la burbuja, proporcionándoles una visión clara del proceso.

Para comprender la tensión superficial, la fuerza impulsora detrás del fenómeno, los científicos midieron los parámetros clave característicos de la escala de tiempo del colapso. Para esto, Oratis y col. utilizaron aceites de silicona con diversas viscosidades y espesores de película variados durante los experimentos. Usando imágenes de alta velocidad, calcularon una velocidad representativa al inicio de las arrugas y aumentaron la viscosidad del aceite de silicona, para frenar el colapso. Como se esperaba, las burbujas más delgadas colapsaron más rápido. El modelo derivado de este trabajo mostró cómo el número de arrugas dependía en gran medida del tamaño del agujero creado para iniciar el colapso de la burbuja. Durante demostraciones experimentales, el equipo eliminó la diferencia de presión en la superficie de la burbuja utilizando una configuración impulsada por capilares que no rompió la película delgada, como resultado, el agujero creado en el proceso indujo eficazmente el colapso de la burbuja sin romper la película.

Los resultados experimentales estaban bastante de acuerdo con la teoría. La competencia entre la tensión de tracción y la tensión de compresión en el sistema afectó la ubicación de los patrones de arrugas en las hojas. Oratis y col. realizó experimentos adicionales con estructuras más gruesas utilizando vidrio fundido soplado extraído del horno, donde dejaron escapar el aire atrapado a través de la tubería de soplado de vidrio. Durante el proceso, el vidrio soplado se derrumbó para adoptar la forma de una arruga. El modelo derivado de este trabajo tenía limitaciones para los datos con las películas más delgadas donde el colapso fue tan abrupto que el patrón de arrugas perdió su simetría para abarcar la totalidad de la burbuja. Es más, el modelo predijo que las arrugas no ocurrirían en todas las condiciones.

De este modo, Oratis y sus colegas demostraron que la tensión superficial, no la gravedad, impulsó el colapso de las burbujas viscosas de la superficie. Desarrollaron un sistema de colapso impulsado por capilares para iniciar la inestabilidad dinámica de pandeo a través de la interacción simultánea de inercia, compresión, y unión viscosa de la película recidivante. El trabajo presentó láminas viscosas con inestabilidades de tipo elástico durante la compresión rápida. Los resultados también pueden explicar la mecánica de fluidos de la exhalación de aerosoles portadores de patógenos potenciales que están relacionados con la ruptura de películas de burbujas delgadas en el fluido viscoelástico que recubre el tracto respiratorio. El presente trabajo sugiere que la tensión superficial por sí sola puede provocar inestabilidad de pandeo durante la rotura de la película viscosa para que estas películas se plieguen y atrapen aire. proporcionando así una visión más profunda de los mecanismos de aerosolización.

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