Kabarcık (fizik)

Bir kabarcık, genellikle sıvı başka bir maddenin içinde bulunan gaz küreciktir.^[1] Marangoni etkisi nedeniyle, kabarcıklar sürükleyici maddenin yüzeyine ulaştıklarında bozulmadan kalabilirler.

Yaygın örnekler

Kabarcıklar günlük hayatta birçok yerde görülür, örneğin:

Alkolsüz içeceklerde aşırı doymuş karbon dioksitin kendiliğinden çekirdeklenmesi olarak.
Kaynar suda su buharı olarak.
Bir şelalenin altı gibi çalkalanmış suya hava karıştığında.
Deniz köpüğü olarak.
Sabun köpüğü olarak.
Kimyasal reaksiyonlarda verildiği gibi. (Örneğin kabartma tozu + sirke tepkimesi).
Üretimi sırasında camda hapsolmuş bir gaz olarak.
Bir su terazisi göstergesi olarak.

Fizik ve kimya

Kabarcıklar oluşup ve küresel şekiller halinde birleşir çünkü bu şekiller daha düşük bir enerji durumundadır. Arkasındaki fizik ve kimya için, bkz. çekirdeklenme .

Dış görünüş

Kabarcıklar, çevredeki maddeden farklı bir kırılma indisine (RI) sahip oldukları için görülebilir. Örneğin, havanın RI'si yaklaşık 1.0003'tür ve suyun RI'si yaklaşık 1.333'tür. Snell Yasası, farklı RI'lara sahip iki ortam arasındaki arayüzde elektromanyetik dalgaların nasıl yön değiştirdiğini açıklar; bu nedenle, hem dalınmış hem de daldırılmış ortamlar şeffaf olsa bile, kabarcıklar eşlik eden kırılma ve iç yansımadan tanımlanabilir.

Yukarıdaki açıklama sadece bir ortamın başka bir ortama daldırılmış kabarcıkları için geçerlidir (örneğin bir meşrubattaki gaz kabarcıkları); bir zar kabarcığının hacmi (örneğin sabun köpüğü) ışığı çok fazla bozmaz ve ince film kırınımı ve yansıması nedeniyle bir zar kabarcığı yalnızca görülebilir.

Uygulamalar

Nükleasyon (çekirdeklenme, kabarcık oluşturma), örneğin bir katı içinde bir bubblegram oluşturmak için kasıtlı olarak indüklenebilir.

Tıbbi ultrason görüntülemede, kontrastı artırmak için kontrast madde adı verilen küçük kapsüllü kabarcıklar kullanılır.

Termal mürekkep püskürtmeli baskıda, aktüatör olarak buhar kabarcıkları kullanılır. Bazen diğer mikroakışkan uygulamalarında aktüatör olarak kullanılırlar.^[2]

Katı yüzeylerin yakınındaki kabarcıkların (kavitasyon ) şiddetli çökmesi ve bunun sonucunda oluşan çarpma jeti, ultrasonik temizlemede kullanılan mekanizmayı oluşturur. Aynı etki, ancak daha büyük ölçekte, bazuka ve torpido gibi odaklanmış enerji silahlarında kullanılır. Tabanca karidesleri ayrıca silah olarak çöken bir kavitasyon balonu kullanır. Aynı etki, bir litotriptörde böbrek taşlarını tedavi etmek için kullanılır. Yunuslar ve balinalar gibi deniz memelileri, eğlence veya av araçları olarak baloncukları kullanır. Havalandırıcılar, kabarcıklar enjekte ederek gazın sıvı içinde çözünmesine neden olur.

Kabarcıklar kimya ve metalurji mühendisleri tarafından damıtma, absorpsiyon, flotasyon ve sprey kurutma gibi işlemlerde kullanılır. İlgili karmaşık süreçler genellikle kütle ve ısı transferi için dikkate alınmasını gerektirir ve akışkanlar dinamiği kullanılarak modellenir.^[3]

Yıldız burunlu köstebek ve Amerikan su faresi, burun deliklerinden hızla nefes alıp bir kabarcık oluşturarak su altında koku alabilir.^[4]

Kabarcık Titreşimi ve Hesaplanması

Kabarcıklar bozulduğunda (örneğin su altına bir gaz kabarcığı enjekte edildiğinde), zar salınım yapar. Şekildeki çok daha büyük deformasyonlar tarafından genellikle görsel olarak maskelense de, salınımın bir bileşeni, harici olarak dayatılan bir ses alanının yokluğunda, balonun doğal frekansında meydana gelen kabarcık hacmini değiştirir (yani titreşimdir). Titreşim, akustik olarak salınımın en önemli bileşenidir, çünkü gaz hacmini değiştirerek basıncını değiştirir ve sesin kabarcığın doğal frekansında yayılmasına yol açar. Sudaki hava kabarcıkları için, büyük kabarcıklar (ihmal edilebilir yüzey gerilimi ve termal iletkenlik ) adyabatik titreşimlere maruz kalır, bu da sıvıdan gaza ısı transfer edilmediği veya bunun tersi anlamına gelir. Bu tür kabarcıkların doğal frekansı şu denklemle belirlenir:^[5]^[6] $f_{0}={1 \over 2\pi R_{0}}{\sqrt {3\gamma p_{0} \over \rho }}$

burada:

$\gamma$ gazın özgül ısı oranıdır.
$R_{0}$ kararlı durum yarıçapıdır.
$p_{0}$ kararlı durum basıncıdır.
$\rho$ çevreleyen sıvının kütle yoğunluğudur.

Sudaki hava kabarcıkları için, daha küçük kabarcıklar izotermal titreşimlere maruz kalır. Küçük yüzey gerilimi σ (ve ihmal edilebilir sıvı viskozitesi) ise şu formülle hesaplanır.^[6] $f_{0}={1 \over 2\pi R_{0}}{\sqrt {{3p_{0} \over \rho }+{4\sigma \over \rho R_{0}}}}$

Su altında sıkışan heyecanlı baloncuklar, parmak eklemlerimizin çatlaması sırasında^[7] ve bir yağmur damlasının bir su yüzeyine çarptığında olduğu gibi, sıvı seslerin ana kaynağıdır.^[8]^[9]

Fizyoloji ve tıp

Ani 40 metre altında suya dalım sonrası aniden yüzeye çıkılması neticesi dalgıçların vücut dokularında kabarcık oluşumu ve büyümesi ile yaralanma, aşırı doymuş çözünmüş asal gazların dekompresyon sırasında kabarcıklar halinde çözeltiyi terk etmesiyle ortaya çıkan dekompresyon (vurgun) hastalığının mekanizmasıdır. Hasar, yerinde kabarcık büyümesi nedeniyle dokuların mekanik deformasyonundan veya kabarcığın yerleştiği kan damarlarını tıkamasından kaynaklanabilir.

Arteriyel gaz embolisi, dolaşım sistemine bir gaz kabarcığı verildiğinde ve mevcut basınç farkı altında geçemeyeceği kadar küçük bir kan damarına yerleştiğinde meydana gelebilir. Bu, hiperbarik maruziyetten sonra dekompresyonun akciğer aşırı genişleme hasarının, intravenöz sıvı uygulaması sırasında veya ameliyat sırasında ortaya çıkabilir.

Ayrıca bakınız

Sonolüminesans
Kabarcık füzyonu
Köpük
Sualtı akustiği
Minnaert rezonansı
Kabarcık önleyici

Kaynakça

^ The Motion of Bubbles and Drops in Reduced Gravity (İngilizce). Cambridge University Press. 9 Nisan 2001. ISBN 9780521496056. 27 Kasım 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 27 Kasım 2021.
^ R. J. Dijkink, J. P. van der Dennen, C. D. Ohl, A. Prosperetti,The ‘acoustic scallop’: a bubble-powered actuator, J. Micromech. Microeng. 16 1653 (2006)
^ Bubbles, Drops and Particles. New York: Dover Publications. 1978. ISBN 978-0-486-44580-9.
^ "Star-nosed mole can sniff underwater, videos reveal". 22 Aralık 2006 tarihinde kaynağından arşivlendi.
^ Minnaert, Marcel, On musical air-bubbles and the sounds of running water, Phil. Mag. 16, 235-248 (1933).
^ ^a ^b Leighton, Timothy G., The Acoustic Bubble (Academic, London, 1994).
^ Chandran Suja (29 Mart 2018). "A Mathematical Model for the Sounds Produced by Knuckle Cracking". Scientific Reports (İngilizce). 8 (1): 4600. doi:10.1038/s41598-018-22664-4. ISSN 2045-2322. PMC 5876406 $2. PMID 29599511.
^ Prosperetti (1993). "The impact of drops on liquid surfaces and the underwater noise of rain". Annual Review of Fluid Mechanics. 25: 577-602. doi:10.1146/annurev.fl.25.010193.003045.
^ "Bubble Resonance". The Physics of Bubbles, Antibubbles, and all That. June 2005. 20 Eylül 2007 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 9 Aralık 2006.