Le bolle si formano, e si fondono, in forme globulari, perché queste forme sono ad uno stato di energia inferiore. Per la fisica e la chimica che ci sono dietro, vedi nucleazione.
AspettoModifica
Le bolle sono visibili perché hanno un indice di rifrazione (RI) diverso dalla sostanza circostante. Per esempio, il RI dell’aria è circa 1,0003 e il RI dell’acqua è circa 1,333. La legge di Snell descrive come le onde elettromagnetiche cambiano direzione all’interfaccia tra due mezzi con IR diverso; così le bolle possono essere identificate dalla rifrazione e dalla riflessione interna che le accompagna, anche se sia il mezzo immerso che quello che lo immerge sono trasparenti.
La spiegazione di cui sopra vale solo per le bolle di un mezzo immerso in un altro mezzo (ad esempio, bolle di gas in una bibita); il volume di una bolla di membrana (ad es. bolla di sapone) non distorcerà molto la luce, e si può vedere una bolla di membrana solo a causa della diffrazione e della riflessione del film sottile.
ApplicazioniModifica
La nucleazione può essere indotta intenzionalmente, per esempio per creare un bubblegram in un solido.
Nell’imaging medico ad ultrasuoni, piccole bolle incapsulate chiamate agente di contrasto sono usate per migliorare il contrasto.
Nella stampa termica a getto d’inchiostro, le bolle di vapore sono usate come attuatori. Sono occasionalmente usate in altre applicazioni di microfluidica come attuatori.
Il collasso violento delle bolle (cavitazione) vicino alle superfici solide e il conseguente getto impetuoso costituiscono il meccanismo usato nella pulizia ultrasonica. Lo stesso effetto, ma su scala maggiore, è usato nelle armi ad energia focalizzata come il bazooka e il siluro. Anche i gamberi pistola usano come arma una bolla di cavitazione che collassa. Lo stesso effetto è usato per trattare i calcoli renali in un litotritore. I mammiferi marini come i delfini e le balene usano le bolle per divertimento o come strumenti di caccia. Gli aeratori causano la dissoluzione del gas nel liquido iniettando bolle.
Gli ingegneri chimici e metallurgici fanno affidamento sulle bolle per operazioni come la distillazione, l’assorbimento, la flottazione e l’essiccazione a spruzzo. I complessi processi coinvolti spesso richiedono considerazione per il trasferimento di massa e calore, e sono modellati usando la dinamica dei fluidi.
La talpa dal naso a stella e il toporagno americano possono annusare sott’acqua respirando rapidamente attraverso le narici e creando una bolla.
PulsazioneModifica
Quando le bolle sono disturbate (per esempio quando una bolla di gas viene iniettata sott’acqua), la parete oscilla. Sebbene sia spesso mascherata visivamente da deformazioni di forma molto più grandi, una componente dell’oscillazione cambia il volume della bolla (cioè è una pulsazione) che, in assenza di un campo sonoro imposto dall’esterno, si verifica alla frequenza naturale della bolla. La pulsazione è la componente più importante dell’oscillazione, acusticamente, perché cambiando il volume del gas, cambia la sua pressione, e porta all’emissione di suono alla frequenza naturale della bolla. Per le bolle d’aria in acqua, le bolle grandi (tensione superficiale e conducibilità termica trascurabili) subiscono pulsazioni adiabatiche, il che significa che non viene trasferito calore né dal liquido al gas né viceversa. La frequenza naturale di tali bolle è determinata dall’equazione:
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} \su \rho }}}
dove:
- γ {displaystyle \gamma }
è il rapporto di calore specifico del gas
- R 0 {displaystyle R_{0}}
è il raggio allo stato stazionario
- p 0 {displaystyle p_{0}}
è la pressione allo stato stazionario
- ρ {displaystyle \rho }
è la densità di massa del liquido circostante
Per le bolle d’aria in acqua, le bolle più piccole subiscono pulsazioni isoterme. L’equazione corrispondente per piccole bolle di tensione superficiale σ (e viscosità del liquido trascurabile) è
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} \sigma \rho }+{4sigma \rho R_{0}}}}}
