Загадка да Винчи разгадана? Ученые наконец-то научились управлять «нелогичным» поведением пузырьков в жидкой среде

Физика полна парадоксов. Но кто бы мог подумать, что привычный всем воздушный пузырек, запертый в жидкости, способен преподнести такой сюрприз? Команда ученых под руководством профессора Педро Саэнса из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл (UNC-Chapel Hill) обнаружила явление, которое заставляет по-новому взглянуть на, казалось бы, давно изученные законы гидродинамики.

Представьте себе ёмкость с жидкостью, внутри которой плавают крошечные пузырьки воздуха. Обычно, если такую ёмкость встряхивать вверх-вниз, пузырьки будут послушно колебаться в том же направлении. Верно? Оказывается, не совсем.

Физика, бросающая вызов интуиции

Исследователи обнаружили, что при определенных условиях эти пузырьки начинают вести себя совершенно непредсказуемо. Вместо вертикальных колебаний они пускаются в… горизонтальный «галоп»! Движутся перпендикулярно приложенной силе, словно маленькие бунтари, игнорирующие очевидные законы физики. Это открытие, подробно описанное в престижном журнале Nature, уже успело наделать шума в научном сообществе. И не зря — видео, демонстрирующее «танец» пузырьков, получило премию на выставке Gallery of Fluid Motion, проводимой Американским физическим обществом.

В чем же секрет? Ученые, работавшие совместно со специалистами из Принстонского университета, изначально задались простым вопросом: можно ли заставить пузырьки двигаться в определенном направлении, просто встряхивая их вверх-вниз? Ответ превзошел все ожидания.

Оказалось, что, манипулируя частотой и амплитудой вибраций, можно не просто заставить пузырьки двигаться горизонтально, но и управлять их траекторией. Хотите — заставите их двигаться по прямой, хотите — закружите по кругу, а хотите — отправите в хаотичное зигзагообразное путешествие, напоминающее поведение бактерий в поисках пищи.

От лабораторного курьеза — к технологическому прорыву

«Обычно поведение пузырьков крайне сложно предсказать,» — объясняет Коннор Магун, один из авторов исследования. — «Но нам удалось превратить эту непредсказуемость в управляемый процесс. И это открывает совершенно новые горизонты.»

Действительно, потенциал этого открытия огромен. Ведь пузырьки — это не просто забавная деталь газировки. Они играют важнейшую роль во множестве процессов, от формирования климата до работы промышленных систем охлаждения.

Космические пузырьки и умная уборка

Взгляните, например, на проблему охлаждения микрочипов. На Земле с этим справляется обычная плавучесть: пузырьки, образующиеся на горячей поверхности, всплывают, унося с собой избыточное тепло. Но в космосе, в условиях невесомости, этот механизм не работает. И здесь на помощь может прийти открытие «галопирующих пузырьков». Оно позволяет активно удалять пузырьки с нагретых поверхностей, не полагаясь на гравитацию, что критически важно для работы спутников и другой космической техники.

А как насчет… уборки? Звучит неожиданно, но эксперименты показывают, что «галопирующие пузырьки» способны эффективно очищать поверхности от пыли. Двигаясь по заданной траектории, они, по сути, работают как миниатюрные роботы-пылесосы. Это открывает перспективы для создания новых технологий промышленной очистки и даже адресной доставки лекарств внутри организма.

«Механизм самодвижения, который мы обнаружили, дает пузырькам возможность перемещаться на значительные расстояния и ориентироваться в сложных системах каналов,» — отмечает Саифул Тамим, еще один участник исследовательской группы.

Взгляд в будущее: эра управляемого хаоса?

Леонардо да Винчи еще в XVI веке обратил внимание на странное, непредсказуемое поведение пузырьков. С тех пор ученые пытались разгадать эту загадку, но до недавнего времени возможности управления движением пузырьков были крайне ограничены.

Открытие, сделанное командой профессора Саэнса, переворачивает ситуацию с ног на голову. Оно демонстрирует, что даже такая, казалось бы, простая система, как пузырек воздуха в жидкости, может демонстрировать удивительную сложность и управляемость. И кто знает, какие еще сюрпризы преподнесет нам этот, на первый взгляд, хаотичный мир? Возможно, в будущем мы научимся использовать подобные «непредсказуемые» явления для создания принципиально новых технологий, о которых сегодня можем только мечтать.