סטודנט באוניברסיטה פתר לאחרונה שאלה שהפיזיקאים תמוהים במשך למעלה מחצי מאה: מדוע נראה כי בועות גז נתקעות בתוך צינורות אנכיים צרים? התשובה עשויה לעזור להסביר את התנהגותם של גזים טבעיים שנלכדים בסלעים נקבוביים.
לפני שנים, פיזיקאים הבחינו שבועות גז בצינור צר מספיק מלא בנוזל לא זזו. אבל זה "סוג של פרדוקס", אמר הסופר הבכיר ג'ון קולינסקי, פרופסור עוזר במחלקה להנדסת מכונות במכון הפדרלי הטכנולוגי של לוזאן (EPFL).
הסיבה לכך היא שבועת הגז צפופה פחות מהנוזל המקיף אותה, כך שהיא צריכה לעלות לראש הצינור (בדיוק כמו שבועות אוויר בכוס מים נוצצים יעלו לראש). מה שכן, ההתנגדות היחידה לזרימה בנוזל מגיעה כאשר הנוזל הזה זז, אך במקרה זה הנוזל עומד ללא הפסקה.
כדי לפתור את המקרה של הבועה העקשנית, קולינסקי ואסים דהואאדי, שהיה סטודנט לתואר ראשון בהנדסה שעבד באותה עת במעבדה של קולינסקי וכעת מסיים תואר שני במכללת ETH ציריך, החליטו לחקור זאת בשיטה שנקראה "מיקרוסקופיית הפרעות". " שיטה זו היא זו שמשמשת גלאי הלייזר אינטרפרומטר מצפה-גל מצפה (LIGO) כדי למצוא גלי כבידה, אמר קולינסקי.
אך במקרה זה החוקרים השתמשו במיקרוסקופ בהתאמה אישית שמאיר אור על הדגימה ומודד את עוצמת האור הקופץ לאחור. מכיוון שאור מקפץ בחזרה בצורה שונה על סמך מה שהוא פוגע, מדידות של האור המקפץ בחזרה יכולות לעזור לחוקרים להבין עד כמה חומר "עבה". באופן זה הם גיששו בועה עזה שנלכדה בתוך צינור דק מלא באלכוהול הנקרא איזופרופנול. האלכוהול איפשר להם לערוך "ניסוי לניקוי עצמי", שהיה הכרחי מכיוון שהתוצאות היו מתבלבלות בכל סוג של זיהום או לכלוך, אמר קולינסקי.
החל מדען בשם ברתרטון בשנות השישים, החוקרים חקרו את התופעה באופן תיאורטי, אך מעולם לא נמדד ישירות לפני כן. כמה חישובים הציעו כי הבועה מוקפת בשכבה דקה במיוחד של נוזלים הנוגעים בצידי הצינור, אשר לאט לאט פוחתת בגודלה ונעלמת בסופו של דבר, אמר קולינסקי. שכבה דקה זו תיצור התנגדות לתנועת הבועה בזמן שהיא מנסה לעלות.
החוקרים אכן צפו בשכבה הדקה מאוד הזו סביב בועת הגז ומדדו אותה בעובי של ננומטר בערך. זה מה שמרווה את תנועת הבועה כפי שניבאה היצירה התיאורטית. אך הם גם מצאו ששכבת הנוזל (שנוצרת בגלל שהלחץ בבועת הגז דוחף אל דפנות הצינור) לא נעלמת, אלא נשארת בעובי קבוע בכל עת.
בהתבסס על מדידותיהם של שכבת הנוזל הדקה, הם הצליחו לחשב את מהירותה. הם גילו כי בועת הגז אינה תקועה כלל אלא נעה "לאט באופן יוצא דופן", בקצב בלתי נראה לעין בלתי מזוינת, בגלל ההתנגדות הנגרמת על ידי השכבה הדקה, אמר קולינסקי. עם זאת, הם גילו כי באמצעות חימום הנוזל והבועה הם הצליחו לגרום לשכבה הדקה להיעלם - רעיון חדשני שיכול להיות "מרגש" לחקור במחקר עתידי, הוסיף.
הממצאים שלהם עשויים לעזור ליידע את תחום מדעי האדמה. "בכל פעם שיש לך גז שמוגדר במדיום נקבובי", כמו גז טבעי בסלע נקבובי, או אם אתה מנסה ללכת בכיוון ההפוך וללכוד פחמן דו חמצני בתוך סלע, אז יש לך הרבה בועות גז שנמצאות בתוך חללים סגורים, אמר קולינסקי. "התצפיות שלנו רלוונטיות לפיזיקה של האופן שבו בועות הגז הללו מוגבלות."
אבל החלק האחר של ההתרגשות הוא שמחקר זה מראה "אתה יכול לקבל אנשים בכל שלבי הקריירה שלהם בתרומות יקרות ערך", אמר קולינסקי. דהואדי "הסיע את הפרויקט לתוצאה מוצלחת", אמר קולינסקי.
הממצאים פורסמו ב -2 בדצמבר בכתב העת Physical Review Fluids.
