2023 लेखक: Bryan Walter | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2023-05-21 22:25
संयुक्त राज्य अमेरिका के भौतिकविदों ने प्रयोगात्मक रूप से साबुन के बुलबुले के जमने की जांच की, दो मुख्य ठंड परिदृश्यों की पहचान की और उन्हें सैद्धांतिक रूप से समझाया। विशेष रूप से, वैज्ञानिकों ने पाया है कि तथाकथित "स्नोबॉल प्रभाव", जिसमें बुलबुले की सतह पर बर्फ के क्रिस्टल का चक्र होता है, थर्मल मारंगोनी प्रभाव के कारण होता है। लेख नेचर कम्युनिकेशंस में प्रकाशित हुआ था।
जब खिड़की के बाहर का तापमान -15 डिग्री से नीचे चला जाए, तो बाहर जाएं और साबुन के बुलबुले को उड़ाने की कोशिश करें। जैसे ही बुलबुला एक ठंडी सतह (उदाहरण के लिए, बर्फ) को छूता है, विचित्र पैटर्न, खिड़की के शीशे पर ठंढ पैटर्न की याद ताजा करती है, इसके साथ चलती है, और बुलबुला कुछ ही सेकंड में पूरी तरह से जम जाएगा। यदि गठित बर्फ के गोले के अंदर की हवा पर्यावरण की तुलना में अधिक गर्म है, तो यह बाहर की ओर भागने और गोले को नष्ट करने की कोशिश करेगी, इसलिए यह अनुशंसा की जाती है कि बुलबुले को आपके मुंह से नहीं, बल्कि रिंग के त्वरित आंदोलन के साथ उड़ा दें। यदि तापमान एक और दस डिग्री गिर जाता है, तो आपको बुलबुले की सतह को छूने तक इंतजार नहीं करना पड़ेगा - यह जम जाएगा और हवा में गिर जाएगा।
इस प्रभाव को, जिसे कभी-कभी "स्नो-ग्लोब इफेक्ट" कहा जाता है, पहली बार 1949 में विन्सेंट शेफ़र द्वारा जांच की गई, जिन्होंने माउंट वाशिंगटन के शीर्ष पर साबुन के बुलबुले लॉन्च किए। हालांकि, तब भौतिक विज्ञानी ने बुलबुले पर जमने वाले क्रिस्टल के आकार का वर्णन करने के लिए खुद को सीमित कर लिया, और सैद्धांतिक रूप से होने वाली प्रक्रियाओं को समझाने की कोशिश नहीं की। इसके अलावा, वैज्ञानिकों को अभी भी इस बात की बहुत कम समझ है कि इस प्रक्रिया को कौन से प्रभाव चला रहे हैं। यह बुलबुले के असामान्य आकार के कारण है: अन्य जमने वाली वस्तुओं के विपरीत, बुलबुला केवल अपनी सतह के साथ गर्मी का संचालन कर सकता है। इसलिए, बर्फ़ीली बूंदों या फ़िल्मों के प्रयोगों में प्राप्त ज्ञान बुलबुले के जमने की व्याख्या नहीं कर सकता है।
इसलिए, जोनाथन बोरेको (जोनाथन बोरेको) के नेतृत्व में वैज्ञानिकों के एक समूह ने एक प्रयोग में साबुन के बुलबुले के जमने की जांच की, और फिर इस प्रक्रिया का एक गुणात्मक मॉडल विकसित किया। साबुन के बुलबुले के लिए एक तरल के रूप में, वैज्ञानिकों ने पानी-ग्लिसरीन-साबुन के घोल (79: 20: 1 के अनुपात में) का उपयोग किया, जो -6.5 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर जम जाता है। कुल मिलाकर, वैज्ञानिकों ने प्रयोगों के दो सेट स्थापित किए जो पर्यावरणीय परिस्थितियों में भिन्न थे। प्रयोगों के पहले सेट में, सतह का तापमान जिस पर बुलबुला स्थित था, हवा के तापमान के साथ मेल खाता था और −20 डिग्री सेल्सियस के स्तर पर था, यानी घोल के हिमांक से काफी नीचे। दूसरे प्रकार के प्रयोगों में, सब्सट्रेट का तापमान समान निम्न स्तर पर बनाए रखा गया था, लेकिन परिवेशी वायु को कमरे के तापमान (25 डिग्री सेल्सियस) तक गर्म किया गया था। सब्सट्रेट को ठंडा करने के लिए, वैज्ञानिकों ने बर्फ के साथ छिड़का हुआ एक पेल्टियर तत्व का उपयोग किया, और बबल फ्रीजिंग प्रक्रिया को उच्च गति वाले कैमरे पर रिकॉर्ड किया गया।
प्रायोगिक सेटअप आरेख
पहले (ए) और दूसरे (बी) परिदृश्यों में साबुन के बुलबुले का जमना
पहले परिदृश्य (ठंडी हवा, ठंडी सब्सट्रेट) के अनुसार ठंड लगने पर, वैज्ञानिकों ने निम्नलिखित चरणों की पहचान की। जैसे ही बुलबुला ठंडी सतह को छूता है, छोटे बर्फ के क्रिस्टल संपर्क के बिंदु पर जम जाते हैं। यह जांचने के लिए कि क्रिस्टल सीमा पर जम जाते हैं, वैज्ञानिकों ने सब्सट्रेट को एक सूखे सिलिकॉन वेफर से बदल दिया, जिस पर क्रिस्टल विकसित नहीं हो सकते थे। फिर, बुलबुले की दीवार के साथ तरल की धाराएँ बिखरी हुई हैं, जो बर्फ के क्रिस्टल को उठाती हैं और परिक्रमा करती हैं। इस स्तर पर, बुलबुला एक बर्फ की दुनिया जैसा दिखता था जो पहले से हिल गया था। कुछ सेकंड के भीतर, धाराएँ धीरे-धीरे कम हो गईं जब तक कि वे पूरी तरह से बंद नहीं हो गईं। उसके बाद, जमे हुए बर्फ के क्रिस्टल तब तक बढ़ते रहे जब तक कि बुलबुले की पूरी सतह पूरी तरह से जम नहीं गई। कुल मिलाकर, ठंड की प्रक्रिया एक मिनट से अधिक नहीं चली।
जैसा कि वैज्ञानिकों के विश्लेषण से पता चला है, प्रवाह मुख्य रूप से मारंगोनी के ऊष्मीय प्रभाव के कारण उत्पन्न होता है, अर्थात तरल पदार्थ उस गर्मी के कारण चलता है जो तब निकलती है जब घोल सब्सट्रेट के पास जम जाता है। शेष प्रवाह, जो समाधान की सांद्रता में अंतर के कारण उत्पन्न हो सकते हैं, सतह की वक्रता में परिवर्तन, या गर्म तरल के तैरने की उपेक्षा की जा सकती है। इसके अलावा, वैज्ञानिक ध्यान दें कि बुलबुले की सतह पर अलग-अलग बर्फ के क्रिस्टल की वृद्धि प्रसिद्ध स्टीफन समस्या में कम हो जाती है, जो एक सुपरकूल्ड तरल के जमने का वर्णन करती है।
दूसरे परिदृश्य (गर्म हवा, ठंडे सब्सट्रेट) के अनुसार ठंड के दौरान, बुलबुले की दीवार पूरी तरह से अलग तरीके से व्यवहार करती है। सबसे पहले, पहले परिदृश्य में समान तरल प्रवाह दिखाई दिया, हालांकि, परिवेशी वायु के उच्च तापमान के कारण, वे जल्दी से मर गए, और उठे हुए बर्फ के क्रिस्टल पिघल गए। लगभग पांच सेकंड के बाद, तरल में संतुलन स्थापित किया गया था। इस समय तक, बुलबुले के निचले हिस्से में आंशिक रूप से जमने का समय था। दो मिनट बाद, बुलबुले के गैर-जमे हुए हिस्से में, तरल प्रवाह फिर से शुरू हो गया, जिसे वैज्ञानिक सीमांत उत्थान के लिए कहते हैं, यानी गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव में तरल फिल्म का पतला होना। अंत में, कुछ और मिनटों के बाद, फिल्म अचानक खराब हो गई और ढह गई। वैज्ञानिक इस प्रभाव को बुलबुले (चार्ल्स के नियम) के अंदर गैस के शीतलन और दबाव ड्रॉप द्वारा समझाते हैं।
अंत में, प्राप्त आंकड़ों के आधार पर, वैज्ञानिकों ने ठंडे साबुन के बुलबुले का एक "चरण आरेख" बनाया है, जिसके अक्षों के साथ सब्सट्रेट और हवा का तापमान प्लॉट किया जाता है। इस आरेख में चार क्षेत्र हैं जो निरंतर सीमाओं से अलग होते हैं। सबसे पहले, यह स्पष्ट है कि -6.5 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के सब्सट्रेट तापमान पर, बुलबुले जमते नहीं हैं। दूसरे, जब हवा का तापमान -6.5 डिग्री सेल्सियस से ऊपर होता है, तो बुलबुले आंशिक रूप से जम जाते हैं और फिर ढह जाते हैं (दूसरा परिदृश्य)। अंत में, शेष क्षेत्र को "स्नोबॉल प्रभाव" (पहला परिदृश्य) वाले क्षेत्रों में एक तिरछी रेखा से विभाजित किया जाता है और उन क्षेत्रों में जहां बुलबुले को पूरी तरह से जमने का समय होता है।
साबुन के बुलबुले के जमने का "चरण आरेख"
हालाँकि मनुष्य ने कम से कम कई सौ वर्षों तक साबुन के बुलबुले उड़ाए हैं, लेकिन इस प्रक्रिया को हाल तक बहुत कम समझा गया है। साबुन के बुलबुले उड़ाने पर पहला लेख 2016 में ही सामने आया, जब फ्रांसीसी वैज्ञानिकों ने बड़ी मात्रा में प्रायोगिक डेटा का विश्लेषण किया और इस प्रक्रिया का पहला मॉडल विकसित किया। 2018 में, अमेरिकी वैज्ञानिकों ने एक बुलबुले को उड़ाने के दो तरीकों का वर्णन करते हुए अपने शोध को और भी आगे बढ़ाया: तेजी से कोई भी मुद्रास्फीति और एक धीमी अर्ध-शास्त्रीय प्रक्रिया, जिसके दौरान फिल्म धीरे-धीरे अपनी स्थिरता खो देती है। इसके अलावा, साबुन के बुलबुले प्रसिद्ध न्यूनतम सतह समस्या से जुड़े हैं, जिसे गणितज्ञों ने भी हाल ही में हल किया है। इस कार्य के बारे में अधिक विवरण "सोप ओपेरा" लेख में पाया जा सकता है।
