Hvers vegna eru loftbólur alveg kúlulaga en ekki sívalningslaga eða í laginu eins og regndropar?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Hvers vegna eru loftbólur alveg kúlulaga en ekki sívalningslaga eða í laginu eins og regndropar?
Lögun loftbólna og regndropa byggist á samspili þriggja þátta, yfirborðsspennu, þrýstings og núnings. Í þessu svari verður gerð grein fyrir hvernig þessir þættir spila saman og hvaða form regndropar og loftbólur fá. Til að mynda kemur í ljós að regndropar eru sjaldnast í laginu eins og þeir eru oftast sýndir á teikningum.

---

Af þessum þremur formum fara sápukúlur næst því að vera kúlulaga. Ráðandi þáttur í lögun þeirra er yfirborðsspenna yfir sápuhimnuna. Yfirborðið leitar í ástand með lægstu orku og það næst með því að hafa flatarmál þess sem minnst. En vegna þess að sápuhimnan er loftheld verður himnan að umlykja ákveðið rúmmál. Þess vegna leitar sápukúlan í þá lögun sem hefur minnst flatarmál af yfirborðum sem umlykja tiltekið rúmmál. Með smá athugun virðist augljóst að þessi ferill er hringur en það er býsna áhugavert stærðfræðilegt vandamál að sanna með óyggjandi hætti að svo sé. Reyndar eru sápukúlur nokkuð gjarnar á að víkja frá hringformi á ýmsa vegu, til dæmis geta nokkrar sápukúlur klesst saman og stundum er hægt að sjá talsverða bylgjuhreyfingu í þeim, sérstaklega ef þær eru stórar.

Regndropar eru flóknara fyrirbæri. Lögun þeirra er talsvert háð stærðinni sem getur verið á bilinu frá 0,2 millimetrum í þvermál upp í 6 millimetra þvermál. Allra stærstu regndroparnir eru þó sjaldgæfir nema í verstu úrhellisrigningum.

Í minnstu regndropum er yfirborðsspenna ráðandi þáttur. Þeir fara því mjög nærri því að vera kúlulaga. Í stærri dropum koma hins vegar fleiri þættir inn í myndina, svo sem munur á þrýstingi efst og neðst í dropanum og áhrif loftmótstöðu. Loftmótstaðan veldur mestum þrýstingi við neðsta borð dropa sem fellur í lofti og dregur úr þrýstingi við hliðarnar þar sem loftið þeytist framhjá.

Hver eru svo heildaráhrif þessara krafta? Allir kannast við myndir af regndropum, nokkurn veginn kúlulaga með smá anga sem skagar upp. Þessi mynd er hins vegar fjarri sanni. Eins og alltaf reynir yfirborðsspennan að halda dropunum kúlulaga en loftmótstaðan fletur þá út að neðan og minni þrýstingur við hliðarnar veldur því að þeir þenjast út þar. Því eru stórir regndropar í raun kúlulaga að ofan en flatir að neðan og með meiri breidd en hæð!

Það sem hér hefur verið sagt um lögun regndropa gildir að mestu einnig fyrir loftbólur nema hvað loftbólur leita upp á við í vatni og þess vegna verða þær flatar að ofan og kúptar að neðan. Stórar loftbólur, til dæmis þær sem myndast þegar andað er frá sér undir vatni, eru óreglulegar, lögun þeirra getur sveiflast og þær hafa tilhneigingu til að brotna upp.

Lesefni:

• Reynir Axelsson, 1998. „Löður: Sápukúlur og stærðfræði“. Hjá Þorsteini Vilhjálmssyni (ritstj.), Undur veraldar: Greinasafn um raunvísindi fyrir almenning. Reykjavík: Heimskringla, bls. 199-231.

Myndir:

• Mynd af sápukúlum er úr grein Reynis tekin eftir Almgren og Taylor. Myndina tók Fritz Goro.
• Mynd af regndropa er úr bók R. Clift, J.R. Grace og M.E. Weber Bubbles, Drops and Particles

...