Wie nimmt eine aufsteigende Blase eine kuppelartige Form an?

Da ich die meiste Zeit meines Lebens im Schwimmteam geschwommen bin, bin ich mit Luftblasen bestens vertraut. Ich weiß, dass ein Regentropfen, der durch den Himmel fällt, seine Form bekommt, weil es die aerodynamischste Form ist, aber wie kommt es, dass eine durch Wasser aufsteigende Blase eine andere, eher quallenartige oder kuppelförmige Form hat? Bildist ein Beispiel dafür, worauf ich mich beziehe. (Als Randbemerkung habe ich festgestellt, dass diese Eigenschaft hauptsächlich in größeren Blasen angezeigt wird.)

Schauen Sie sich diesen Artikel von Nature und insbesondere Abbildung 1 an. Leider befindet sich der vollständige Artikel hinter einer Paywall.
Nein, Regentropfen nehmen keine aerodynamische Form an. Sie wackeln und wackeln aufgrund komplizierter Wechselwirkungen mit lokalen atmosphärischen Phänomenen (und ihrer Formgeschichte).
@JohnRennie danke, das war ein toller Artikel. Es sieht so aus, als wäre dies ein öffentlicher Vorabdruck

Antworten (2)

Wenn die Blase aufsteigt, drückt sie das Wasser darüber aus dem Weg, sodass wir einen Wasserfluss um die Blase herum erzeugen. Bei einer großen Blase sind die Strömungsgeschwindigkeiten relativ hoch, da eine große Blase eine große Wassermenge beiseite schieben muss.

Wasser, das um eine Blase fließt, zieht sie aus der Form. Das offensichtliche einfache Beispiel ist eine Blase in einer Scherströmung, die zu einem Ellipsoid herausgezogen wird:

Blase in Scherströmung

Für eine durch Wasser aufsteigende Blase wird die Strömung kompliziert und es gibt keine einfache Möglichkeit, sie zu berechnen. Wir müssen nach einem Finite-Elemente-Analyseprogramm und einem großen Computer greifen. Ich habe etwas gegoogelt und es geschafft, dieses Papier zu finden, das Berechnungen dieser Art enthält 1 . Wenn Sie sich zum Beispiel Abbildung 3 auf dem Papier ansehen, zeigt es die halbkugelförmige Blasenform, die Sie auf Ihrem Foto zeigen.

Das Problem bei der Computermodellierung ist, dass es schwierig sein kann, ein intuitives Gefühl dafür zu bekommen, was vor sich geht, also habe ich versucht, mein eigenes Diagramm zu zeichnen, wie die Blase durch den Wasserfluss aus der Form gezogen wird:

Aufsteigende Blase

Sie sollten dies nicht zu wörtlich nehmen, da es nur eine Veranschaulichung des Flusses ist. Die Pfeile zeigen den Wasserfluss und wie er die Blase aus der Form zieht. Es gibt detailliertere (wenn auch verwirrendere!) Diagramme des Flusses in Abbildung 15 des von mir verlinkten Papiers.

1 Jinsong Hua und Jing Lou, Numerische Simulation des Aufsteigens von Blasen in viskosen Flüssigkeiten, Journal of Computational Physics 222 (2007) 769–795

Ihre Antwort spricht von der Ursache, ohne auf das Prinzip einzugehen, das das Phänomen definiert. Es ist, als würde man das Konzept der Reibung einführen, ohne sich die Zeit zu nehmen, zwischen statischer und kinetischer Reibung zu unterscheiden. Eine übermäßige Vereinfachung eines komplexen Prozesses ist nicht gerade der richtige Weg, oder?
Kleiner Kommentar zum Beitrag (v1): Bitte denken Sie daran, Autor, Titel etc. des Links explizit anzugeben, damit der Link im Falle einer Linkfäule rekonstruiert werden kann.

Die Blase behält aufgrund der Oberflächenspannung eine sphärische Form bei, was Ihnen sicher bewusst ist. Es tut dies, weil es ein maximales Volumen der beteiligten Flüssigkeit unter Verwendung einer minimalen Oberfläche speichern möchte, was mit einer Kugelform erreicht werden kann. Somit wirkt die Schicht der Blase wie eine gespannte Membran. Wenn der Druck innerhalb der Blase, aus welchen Gründen auch immer, stärker ansteigt, als die Oberflächenspannung ausgleichen kann, bricht sie in eine halbkugelförmige oder kuppelartige Struktur auseinander. Obwohl es sich nicht um eine vollständige Blase handelt, hat es immer noch eine Oberflächenspannung und besitzt daher eine gewisse Konkavität.

Der Grund für den Wunsch der Blase, ihre Oberfläche zu minimieren, ist, dass alle Objekte bei der geringstmöglichen Energie bleiben wollen. Wenn Sie die Oberfläche der Blase vergrößern, erhöhen Sie die Anzahl der Partikel, die von den Adhäsionskräften der Umgebung betroffen sind, und erhöhen somit ihre Energie (Oberflächenpotentialenergie).

Ich sehe nicht, wie dies die Frage beantwortet. Die "Schüssel"-Form wird ein gewisses Gleichgewicht zwischen der Oberflächenspannung und den hydrodynamischen Kräften sein, die beim Aufsteigen der Blase entstehen.
@JohnRennie Wenn Sie die letzte Zeile des ersten Absatzes lesen, lernen Sie vielleicht etwas.
@Garvit: Es ist mir nicht klar, wie sich die Schlussfolgerung Ihres ersten Absatzes aus seinen Prädikaten ergibt.
@RedGrittyBrick Im ersten Absatz geht es um den Grund für die Kugelform, dh die Oberflächenspannung. Die letzte Zeile deutet darauf hin, dass die Oberflächenspannung nicht ausreicht, um den äußeren Druck auszugleichen, daher ändert sich die Form. Aber da die Oberflächenspannung immer noch wirkt, sehen wir weiterhin eine unvollständige Kugelform. Meine Antwort ist eine direkte Antwort darauf, warum Blasen ihre Kugelform bekommen und keine andere.
Ich finde auch, dass diese Antwort nicht direkt ist. Verzeihung. Wahrscheinlich sind Sie zu verallgemeinernd – dh eine Blase behält nicht in allen Situationen ihre Kugelform bei, sodass Sie nicht mit dieser „nackten“ Behauptung beginnen können.
Wie nimmt eine aufsteigende Blase eine kuppelartige Form an?
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