Физики выяснили, что при сильной тряске пузырьки воздуха убегают галопом

Пузырьки в жидкостях постоянно присутствуют в нашей жизни — в газированных напитках, системах кондиционирования. Их используют для промышленных применений — в системах охлаждения, очистки воды и при производстве химикатов.

Контроль движения пузырьков долгое время оставался сложной задачей в различных областях. Недавно ученые смогли использовать гидродинамическую неустойчивость для точного управления пузырьками. Исследовательская группа задалась, казалось бы, простым вопросом: может ли встряхивание пузырьков вверх и вниз заставить их двигаться непрерывно в одном направлении?

Пузырьки не просто двигались — они делали это перпендикулярно направлению встряхивания. Когда контейнер трясут вверх и вниз, пузырьки начинают неожиданно ритмично «галопировать» — подпрыгивать, как игривые лошади, и двигаться горизонтально, несмотря на вертикальное встряхивание.

Регулируя частоту и амплитуду встряхивания, исследователям удалось переключать режимы движения. Сейчас они знают, как обеспечить прямолинейное, круговое и хаотичное зигзагообразное движение, напоминающее стратегии поиска пищи у бактерий. Объяснение и сопутствующие феномену математические расчеты опубликованы в журнале Nature Communications.

Одно из применений феномена «галопирования» — системы охлаждения микрочипов. На Земле пузырьки газов поднимаются с нагретых поверхностей, предотвращая перегрев. Однако в космосе плавучесть отсутствует, и отсутствие этого свойства делает удаление пузырьков серьезной проблемой. Новый метод позволяет активно удалять пузырьки в среде без гравитации, что может улучшить теплопередачу в спутниках и космической электронике.

Открытую особенность движения пузырьков можно использовать для очистки поверхности. Дополнительные эксперименты показали, что «галопирующие пузырьки» могут очищать пыльные поверхности. Они двигаются зигзагами, как миниатюрный робот-пылесос. Ученые надеются, что управление движением пузырьков обеспечит новые подходы в очистке поверхностей и целевой доставке лекарств.

«Новый механизм самодвижения позволяет пузырькам преодолевать расстояния и дает им беспрецедентную способность перемещаться по сложным жидкостным сетям. Это может предложить решения давних проблем в системах теплопередачи, очистке поверхностей и даже вдохновить на создание новых мягких роботизированных систем», — сказал Сайфул Тамим (Saiful Tamim), научный сотрудник Университета Северной Каролины в Чапел-Хилле (США).

Управление движением пузырьков остается сложной задачей, хотя они присутствуют в большинстве жидкостей в той или иной форме. Доступные инженерам и исследователям методы влияния на их перемещения ограничены. Работа ученых демонстрирует, что пузырьки можно направлять по предсказуемым траекториям с помощью тщательно настроенных вибраций.

«Это открытие превращает наше понимание динамики пузырьков, из непредсказуемой в контролируемое и универсальное явление с далекоидущими приложениями в теплопередаче, микрофлюидике и других технологиях», — объяснил Коннор Магун (Connor Magoon), аспирант-математик из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилле.