מבוא

עצם העלייה של בועה בנוזל נראית מובנת מאליה ושולית, אך חקר המסלול של בועות הגז יגלה למה מבצעות הבועות מסלול שכזה. במסגרת המחקר ננסה ללמוד על הדינמיקה של הבועות במים.

מכיוון שהבועה מושפעת ממספר גורמים בכל פעם שמשנים גורם ישפיע על הבועה ומגלים תוצאות שונות. גודל הבועה ולחץ הגז בתוכה, מהירות שחרור הבועה, סמיכות הנוזל, זווית ההטיה של פתח היציאה של הבועה וגודל הפתח.

הקושי במחקר הוא קביעת תנאים ומדידתם בצורה מדויקת, מכיוון שבועה בתוך נוזל כמו מים לא ניתן לתפוס ולא ניתן בהרבה פעמים לעקוב מכל הזוויות האפשריות בצילום. תנועת בועות ומאפייני בועה בתוך נוזלים שונים נחקרה באופן חזק במהלך השנים, לנושא יש השלכות חשובות על כל מני ענפים שונים של מדע, למשל: מעבר חום ומעבר מסה, השתחררות של גזי חממה מקרקעיות מימיות ועוד.

עקרונות פיזיקליים מרכזיים:

• תנועת גופים בנוזל, צמיגות Viscosity, מתח פנים Surface Tension
• לחץ, כוח ציפה Buoyancy,
• כוח גררDrag Force, כוח עילוי (Lift Force)
• סף התאוצה – מהירות סף –  Terminal Velocity

שאלות המחקר:

• מה צורת מסלול הבועה בתוך המים? בתנועה ספיראלית מה הקשר בין רדיוס המסלול לגובה הלולאה?
• האם נפח בועה משפיע על סוג תנועתה (מהירות וצורת מסלול) בתוך המים? ואיך?
• איך סוג הנוזל יכול להשפיע על מהירות וצורת הבועה?
• כיצד סוג של גז יכול להשפיע על מהירות הבועה?

מערך ומהלך המחקר:

מערכת הניסוי: מיכל מים גלילי, מצלמה מהירה, מראה, מזרק, צינור, מחטים, מלחציים, תוכנת Tracker.

• לחקור את הקשר בין רדיוס כדורים נופלים בגליצרול לבין מהירות נפילתם.
• בנית מערכת הזרקת בועות מוגדרות
• ניתוח את הקינמטיקה של תנועת הבועה ואת המאפיינים שלה כמו (גודל, נפח וצורה).
• תיאור מסלול התנועה ע"י גרף תלת-מימד
• מציאת מהירות הסף ותאוצת הסף

בתמונה רואים התקדמות בועות בתוך מים, וגרף שצויר לבועה בגודל מסוים.

מטרות המחקר:

• לחקור אילו גורמים משפיעים על הדינמיקה של בועות בתוך המים.
• לחקור איך צורה, נפח וגודל של בועה משפיע על מסלול התנועה בתוך המים.
• דרכים למדידת נתונים התחלתיים, נפח או קוטר הבועה, לחץ, מהירות התחלתית
• לאמוד את תאוצת שחרור הבועה עד הגיעה למהירות הסף

מקורות

• Boudreau, B. P. (2012). The physics of bubbles in surficial, soft, cohesive. Marine and Petroleum Geology 38(1), 1-18.
• Davies, R. M., & Taylor, G. I. (1950). The mechanics of large bubbles rising through liquids in tubes. R. Soc. Lond. A 200, 375–390.
• Dominique, L., Roberto, Z., & Rodrigo V. C. (2012). On the deformation of gas bubbles in liquids. Physics of Fluids, 24.
• Duineveld, P. C. (1995). The Rise Velocity and Shape of Bubbles in pure water at high Reynolds Number. Fluid Mech. 292, 325-332.
• Francesc, S., & Ricard, G. C. (2015). Effects of gravity level on bubble formation and rise in low-viscosity liquids. Terradas