Ключевую функцию в дренажном процессе пены выполняет не осмотическое давление, а способность пузырьков к перестройке. Мы объясняем новую физическую модель, созданную учеными для точного предсказания момента, когда начинается стекание жидкости.
Ученые из Токийского столичного университета прояснили, почему жидкость начинает вытекать из пены при значительно меньшей высоте, чем предполагали классические физические модели. Выяснилось, что важную роль играет не только движение жидкости по каналам между пузырьками, но и давление, нужное для их перестройки. Это открытие изменяет подход к изучению мягких материалов и может привести к созданию более эффективных пен, как сообщает ScienceDaily.
Ранее считалось, что дренаж пены определяется «пределом поглощения», который зависит от осмотического давления — энергии, связанной с изменением площади контакта между жидкостью и газом. Согласно традиционным расчетам, пена должна достигать высоты около метра, прежде чем жидкость начнет стекать. Однако на практике даже пена высотой в несколько десятков сантиметров легко протекает. Этот диссонанс между теорией и экспериментом долго оставался загадкой для исследователей.
Команда под руководством профессора Рей Куриты провела серию экспериментов с пенами, созданными с использованием различных поверхностно-активных веществ. Ученые помещали пену между прозрачными пластинами и наблюдали за движением жидкости. Выяснилось, что высота, при которой начинается дренаж, обратно пропорциональна содержанию жидкости в пене и не зависит от типа вещества или размера пузырьков.
Ключевое открытие было сделано во время видеосъемки процесса: оказалось, что в момент начала оттока жидкости пузырьки не остаются на месте, а начинают смещаться и перестраиваться под ее давлением. Именно «предел текучести» — давление, необходимое для перемещения пузырьков — определяет момент начала дренажа. Новая модель, основанная на этом принципе, точно описывает наблюдаемые явления.
Результаты исследования показывают, что пену следует воспринимать не как статичную структуру, а как динамическую систему, способную к перестройке. Такой подход позволит лучше понять поведение мягких материалов и разработать новые технологии для производства пен с заданными характеристиками — например, для моющих средств, косметики и фармацевтики.
Фото: hi-tech.mail.ru