Kuplat muodostuvat ja sulautuvat yhteen pallomaisiksi muodoiksi, koska nämä muodot ovat alemmassa energiatilassa. Fysiikasta ja kemiasta sen taustalla, katso ydintyminen.
UlkonäköMuokkaus
Kuplat ovat näkyviä, koska niillä on eri taitekerroin (RI) kuin ympäröivällä aineella. Esimerkiksi ilman RI on noin 1,0003 ja veden RI on noin 1,333. Snellin laki kuvaa, miten sähkömagneettiset aallot muuttavat suuntaa kahden eri IR:n omaavan väliaineen rajapinnassa; siten kuplat voidaan tunnistaa niihin liittyvistä taittumis- ja sisäisistä heijastumisilmiöistä, vaikka sekä upotettu että upottava väliaine ovat läpinäkyviä.
Ylläoleva selitys pätee vain yhteen väliaineeseen upotetuille yhden väliaineen kuplille (esim. virvoitusjuomassa oleville kaasukuplien kuplille); membraanikuplan tilavuutta (esim. saippuakupla) ei vääristä valoa kovinkaan paljon, ja kalvokuplan voi nähdä vain ohuen kalvon diffraktiosta ja heijastuksesta johtuen.
SovelluksetMuutos
Nukleaatio voidaan aiheuttaa tarkoituksellisesti, esimerkiksi kuplataajuuden aikaansaamiseksi kiinteässä aineessa.
Lääketieteellisessä ultraäänikuvantamisessa käytetään kontrastin parantamiseen pieniä kapseloituja kuplia, joita kutsutaan kontrastiaineeksi.
Lämpömustesuihkutulostuksessa höyrykuplia käytetään toimilaitteina. Niitä käytetään toisinaan muissa mikrofluidiikan sovelluksissa toimilaitteina.
Kuplien väkivaltainen luhistuminen (kavitaatio) kiinteiden pintojen lähellä ja siitä aiheutuva törmäävä suihku muodostavat ultraäänipuhdistuksessa käytettävän mekanismin. Samaa vaikutusta, mutta suuremmassa mittakaavassa, käytetään fokusoidussa energia-aseessa, kuten sinkoaseessa ja torpedossa. Myös pistoolikatkaravut käyttävät aseena luhistuvaa kavitaatiokuplaa. Samaa vaikutusta käytetään munuaiskivien hoitoon litotripterissä. Merinisäkkäät, kuten delfiinit ja valaat, käyttävät kuplia viihteenä tai metsästysvälineinä. Ilmastimet saavat aikaan kaasun liukenemisen nesteeseen ruiskuttamalla kuplia.
Kemian ja metallurgian insinöörit luottavat kupliin esimerkiksi tislauksessa, absorptiossa, flotaatiossa ja suihkukuivauksessa. Monimutkaiset prosessit vaativat usein massan- ja lämmönsiirron huomioon ottamista, ja niitä mallinnetaan nestedynamiikan avulla.
Tähtinokkamyyrä ja amerikkalainen vesikäärme pystyvät haistamaan veden alla hengittämällä nopeasti sieraimiinsa ja synnyttämällä kuplan.
PulsaatioMuutos
Kun ilmakuplat häiriintyvät (esimerkiksi kun kaasukupla ruiskutetaan veden alla), seinämä värähtelee. Vaikka se usein peittyy visuaalisesti paljon suurempien muodonmuutosten alle, värähtelyn komponentti muuttaa kuplan tilavuutta (eli se on pulsaatiota), joka ilman ulkoisesti asetettua äänikenttää tapahtuu kuplan ominaistaajuudella. Pulsaatio on akustisesti värähtelyn tärkein komponentti, koska kaasun tilavuutta muuttamalla se muuttaa kaasun painetta ja johtaa kuplan ominaistaajuudella tapahtuvaan äänipäästöön. Vedessä olevien ilmakuplien osalta suurissa kuplissa (pintajännitys ja lämmönjohtavuus ovat merkityksettömiä) esiintyy adiabaattista pulsaatiota, mikä tarkoittaa, että lämpöä ei siirry nesteestä kaasuun eikä päinvastoin. Tällaisten kuplien ominaistaajuus määräytyy yhtälöllä:
f 0 = 1 2 π R 0 3 γ p 0 ρ {\displaystyle f_{0}={1 \over 2\pi R_{0}}{\sqrt {3\gamma p_{0}} \over \rho }}}
where:
- γ {\displaystyle \gamma }
on kaasun ominaislämpösuhde
- R 0 {\displaystyle R_{0}}
on vakaan tilan säde
- p 0 {\displaystyle p_{0}}
on vakaan tilan paine
- ρ {\displaystyle \rho }
on ympäröivän nesteen massatiheys
Vedessä olevien ilmakuplien osalta pienemmät kuplat kokevat isotermisiä pulsaatioita. Vastaava yhtälö pienille kuplille, joiden pintajännitys σ (ja mitätön nesteen viskositeetti) on
f 0 = 1 2 π R 0 3 p 0 ρ + 4 σ ρ R 0 {\displaystyle f_{0}={1 \over 2\pi R_{0}}{\sqrt {{3p_{0}} \over \rho }+{4\sigma \over \rho R_{0}}}}}
