¿Cómo las burbujas estallan?

Cuando una burbuja de jabón, una bebida gaseosa o ráfagas de agua de mar que no desaparece sino que se divide en un anillo de burbujas más pequeñas, dando lugar a una cascada de burbujas estallen. Este fenómeno universal se ha descubierto recientemente y modelada por un equipo de físicos del CNRS / Instituto de Física de Rennes (CNRS / Université de Rennes 1) y Universidades de Harvard y Princeton en los Estados Unidos.Su trabajo, publicado en la revista Nature, podría encontrar aplicaciones en la industria y la oceanografía.

Mientras estudiaba en la Universidad de Harvard (1) cómo las burbujas se extienden sobre superficies diferentes, James C. Bird y su colega francés Laurent Courbin observar «anillos» como resultado de la explosión de estas burbujas. Entonces se dieron cuenta de que tales anillos se encuentran más o menos en todas partes: en un charco de agua después de un día lluvioso, en el fregadero para lavar los platos, en la espuma en la superficie del océano, etc Si bien este fenómeno ya había sido observado, su origen desconocido.

Después de compartir su descubrimiento con su jefe de equipo y co-autor Howard A. Stone, los investigadores decidieron estudiar el estallido de las burbujas de interfase, en otras palabras, las burbujas en contacto con un líquido / gas o de la interfaz sólido / gas. Ellos mostraron que cuando estas burbujas revientan, se multiplican en lugar de simplemente desaparecer. Este proceso, que da lugar a un mayor número de burbujas de menor tamaño, se reiteró y conduce a una cascada de burbujas de ruptura.

Los científicos franceses y estadounidenses a continuación aclarado y el modelo del mecanismo de dos pasos detrás de este sorprendente resultado. Sus experimentos muestran que, cuando se rompe una burbuja, la película líquida de retracción primera conduce a la formación de un tubo curvado cerrado en sí mismo, similar a una rosquilla. Este tipo de estructura cilíndrica de fluido es inestable y, por tanto se descompone en un anillo formado por burbujas de alrededor de diez veces menor que la burbuja inicial. 
Este proceso de ruptura es demasiado rápido para ser visible a simple vista, por lo que los investigadores lo filmado con un alto -velocidad de la cámara (2). De cerca estudiando las diferentes etapas que tienen lugar cuando se rompe una burbuja, como lo revela en estos videos, el equipo de investigación desarrollaron simulaciones numéricas que reproducen el mecanismo de plegado observado experimentalmente.

Los investigadores también identificaron los principales parámetros del fluido que necesitan ser modificados para controlar el fenómeno y, si es necesario, eliminarlo. Este trabajo podría beneficiar diversos procesos industriales, tales como la producción de vidrio, en el que la presencia de burbujas interfaciales y sus efectos son altamente indeseables. Los procesos industriales que emplean espumas también podrían beneficiarse de estos resultados: de hecho, la ruptura y desaparición de burbujas en una espuma es uno de los mecanismos que hacen que sea la edad.

Se ha sabido durante los últimos cincuenta años más o menos pequeñas gotitas que se proyectan en el aire cuando pequeñas burbujas se echó sobre la superficie de un líquido. Es este fenómeno el que explica por qué su cara es a menudo rociado con líquido cuando se disfruta de un refresco! Este trabajo demuestra que cuando una gran burbuja estalla sola sino que también conduce a la formación de una multitud de pequeñas burbujas, se proyectan gotitas. La comprensión de este fenómeno podría arrojar luz sobre el papel desempeñado por las grandes burbujas de interfase en la formación de aerosoles (3) y, más concretamente la espuma del mar. Las finas gotas que forman la espuma del mar garantizar los intercambios entre los océanos y la atmósfera, en particular el transporte de partículas marinas. Además, las pequeñas burbujas creadas tienen una mayor presión interna, lo que aumenta tanto la transferencia de gas en el líquido y la eficiencia de la producción de las gotitas de aerosol, provocada por las burbujas que estallan.

Los mecanismos físicos detrás del estallido de las burbujas parecen ser independiente de la naturaleza de la burbuja. Los científicos fueron, de hecho, con sorpresa que la formación de anillos se observa con líquidos viscosos como el aceite e incluso con soluciones de hasta 5000 veces más viscosos que el agua.Ahora se proponen averiguar si este fenómeno se aplica a los materiales más novedosos, tales como vidrio fundido de lava o barro.

 

Burbuja de jabón


© Adaptado de Bird et al. (2010)

Burbuja de jabón (barra = 1 cm) que estalla sobre una superficie sólida y genera un anillo formado de numerosas burbujas de pequeño tamaño.


 

 

Burbuja de jabón


© Adaptado de Bird et al. (2010)

Instantánea de la cinética de plegado de la película de líquido, que termina en la formación de un anillo compuesto de burbujas más pequeñas (bar = 1 mm).


 

Ver la película (Película complementaria 3.mov) que muestra el estallido de las burbujas y la formación de anillos de burbujas más pequeñas: http://www.people.fas.harvard.edu/ ~ jbird / Supplementary_Movies.zip . 
Esta película muestra la explosión de una burbuja en contacto con una superficie sólida y destaca el mecanismo de dos pasos que conduce a la formación de un anillo hecho de burbujas hija alrededor de 10 veces más pequeño que la burbuja inicial. El fenómeno se registró simultáneamente desde el lado (a la izquierda en el video) y desde abajo (a la derecha en el video). El tiempo se ha dado en miles de segundos.

Notas:

(1) Escuela de Harvard de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS)
(2) Una cámara capaz de registrar los acontecimientos que ocurren en escalas de tiempo tan corto como una milésima de segundo. 
(3) Un aerosol es una suspensión de finas partículas sólidas o líquidas en un medio gaseoso.

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