Кубанский государственный технологический университет

Вязкость дестабилизирует сонолюминесценцию

04-10-2011
Типичные траектории сонолюминесцентного пузырька в вязкой жидкости (значения по осям приведены в миллиметрах). Изображение из статьи Physical Review Letters, 96, 114301, 2005

Голландские физики объяснили явление «блуждающей сонолюминесценции» в жидкостях с большой вязкостью. Ключевую роль играет эффект памяти, появляющийся в вязких жидкостях.

Сонолюминесценция — свечение, порожденное звуком, — наблюдалась еще в первой половине XX века, но долгое время оставалась плохо воспроизводимым, «неуловимым» явлением. Если звуковую волну сфокусировать в емкости с водой, то она как бы «разрывает» воду в фокусе, создает пузырек, который тут же схлопывается и испускает короткую вспышку света. Вспышки эти, однако, происходили нерегулярно, и физикам долгое время не удавалось изучить поведение схлопывающегося пузырька.

Прорыв наступил в начале 1990-х годов, когда экспериментаторы стабилизировали сонолюминесценцию: научились создавать и удерживать в центре ультразвуковой волны один-единственный пульсирующий пузырек, который и давал яркий стабильный сонолюминесцентный свет. Спустя десять лет это некогда загадочное явление не только получило объяснение, но и уже нашло практические применения.

В подавляющем большинстве экспериментов по сонолюминесценции рабочей жидкостью была вода. Именно в ней температура внутри светящегося пузырька была самой высокой, а свечение — исключительно ярким. Физики, однако, исследовали сонолюминесценцию и в других средах: серной кислоте, ацетоне, спиртах, органических жидкостях, пытаясь разобраться, как на нее влияют свойства жидкости.

Именно этот поиск принес шесть лет назад удивительное открытие: в вязких жидкостях сонолюминесцентный пузырек может выйти из фокуса ультразвуковой волны и начать медленно блуждать в центре камеры. Из-за этого движения схлопывание пузырька становится несимметричным, и приходится делать вывод: большая вязкость не помогает, а препятствует устойчивым пульсациям пузырька, а значит, ухудшает условия, при которых идет сонолюминесценция, что и было подтверждено экспериментально.

Необычность такого поведения состоит в том, что вязкость обычно подавляет движение и стабилизирует форму (вспомните, как течет мёд!). Поэтому в данном случае вопрос стал ребром: необходимо было дать ясное теоретическое объяснение, откуда берется дестабилизирующее влияние большой вязкости.

Этот пробел в теории сонолюминесценции и был ликвидирован в недавней статье голландских физиков R. Toegel et al., Physical Review Letters, 96, 114301 (20 March 2006).

Они вывели уравнения, которые описывают перемещение пузырька вблизи фокуса ультразвуковой волны, изменение его размера с течением времени, а также те локальные переменные течения жидкости вблизи пузырька, которые возникают при обоих типах движения. В точном виде эти уравнения оказались слишком сложными даже для приближенного решения, но голландцы смогли их так преобразовать и упростить, что численное решение уже не представляло сложности. Найдя эти решения для различных условий, авторы смогли понять, как именно и в каких случаях вязкость умудряется дестабилизировать положение и форму пузырька.

Причина такого поведения — эффект памяти, возникающий в вязкой жидкости. Вязкость приводит к тому, что локальные течения, вызванные перемещением пузырька, постепенно затухают. Но происходит это не мгновенно, а значит, эти течения успеют еще повлиять и на будущее движение пузырька. В результате сила, действующая на пузырек, зависит не только от величин в данный момент времени, но и от предыстории, от того, как двигался пузырек некоторое время назад. Интересно, что для нулевой или бесконечно большой вязкости такого эффекта памяти нет.

Вычисления показали, что благодаря такому необычному эффекту воздействия «на себя в будущем» состояние покоя может оказаться неустойчивым, и тогда пузырек начинает медленно блуждать недалеко от фокуса звуковой волны.

Авторы работы в дополнение к своей теории провели серию экспериментов с вязкой жидкостью этиленгликолем, которые полностью подтвердили теоретически выведенные закономерности.

В зависимости от размера пузырька и давления звуковой волны траектория могла быть близкой к круговой, а могла напоминать и беспорядочно смотанный клубок. Однако в любом случае размеры орбиты составляли доли миллиметра, а типичный период обращения был порядка секунды. При иных параметрах пузырька и звукового давления центральное положение пузырька было устойчивым, но вот форма его теряла сферическую симметрию.

Стоит подчеркнуть, что в этих экспериментах физиков интересовало лишь движение пузырька, и непосредственно сонолюминесценция не изучалась. Однако, как было выяснено раньше, сам факт «блуждания» пузырька уже приводил к ухудшению условий для сонолюминесценции

Игорь Иванов

‹‹