Лабораторія фізики твердих тіл - UMR 8502 - Як втираються піни

Пошук

Робота дослідників
Робота вчителів-дослідників
Робота інженера та техніка
Аспірантура
Пропозиції кандидата наук на 2020 навчальний рік
Зареєструватися для дисертації
2021 пропозиції про стажування

Новини/Новини
практична інформація
Посібник користувача
Інтернет-журнали
Друковані журнали
Книги/Тези
База даних
Інші Інтернет-ресурси
Інші посилання

Як натирають піни ?

Чи краще брати рівну або грубу ложку, щоб з’їсти шоколадний мус? На це питання відповідає команда LPS, вивчаючи тертя піни на шорстких поверхнях. Їх результати опубліковані в журналі Physical Review Letters і показали, що важливим параметром є не тільки розмір повітряних бульбашок у піні, а й кількість рідини між бульбашками.

Шоколадний мус на ложці, крем для гоління на шкірі, морська піна на пляжі. Існує багато ситуацій, коли пінопласт ковзає або натирається на шорсткій поверхні. Це все щоденний досвід, який викликає бажання зрозуміти взаємодію поверхні з піною.

У лабораторіях, коли ми намагаємось вивчити механічні властивості пінопластів, ми докладаємо до них зусиль і визначаємо, як вони деформуються. Класичний експеримент полягає в тому, щоб помістити їх між двома пластинами і зрізати. Але якщо піна ковзає при спробі її деформувати, ви нічого не можете виміряти! Щоб запобігти ковзанню піни, вчені додають шорсткості, більші за розмір бульбашок, до стінок вимірювальних приладів, щоб запобігти їх ковзанню. Досі невирішеним питанням було зрозуміти, який мінімальний розмір шорсткості застосовується для запобігання ковзанню піни.

Ось чому команда LPS систематично вивчала тертя піни на поверхнях різної шорсткості (див. Рисунок 1). Вони виготовляли піни з усіма бульбашками однакового розміру і точно контролювали кількість води в різних пінах. Вони вимірювали силу, яку діє піна на скляні поверхні, шорсткість яких вони змінили, приклеюючи невеликі скляні кульки (діаметром від декількох десятків до кількох сотень мікрометрів). У той же час вони спостерігали рух мильних плівок проти шорстких рухомих поверхонь. Це дозволило їм визначити, що контролює тертя піни.
Для поверхонь важливий розмір шорсткості; для пінопласту важливою довжиною є фактично не розмір бульбашок, а розмір рідинних каналів між мильними бульбашками, що називається «радіусом краю полиці кривизни». Цього результату не очікували, оскільки в інших складних рідинах, таких як зернисті, важливим є розмір зерна.

Зокрема, група дослідників визначила три режими тертя піни. Коли нерівності дуже малі перед радіусом кривизни країв Плато, піна ковзає. Коли ці два розміри порівнянні, пінопласт ковзає, а потім по черзі прилипає до поверхні, створюючи різкі рухи. У цих перших двох режимах піна рухається по поверхні і не спотворюється. Нарешті, коли шорсткість набагато більша за кривизну країв Плато, мильні плівки пінопласту залишаються прикріпленими до шорсткості поверхні. Мильні бульбашки більше не можуть ковзати по стіні, тому вони ковзають між ними і піна деформується.

Однією з новинок цієї роботи є опис режиму тертя клею та ковзання, який є посередником між ковзанням по гладкій поверхні та закріпленням мильних плівок на дуже шорсткій поверхні. З іншого боку, ідентифікація трьох режимів тертя може передбачити розмір шорсткості для додавання поверхні для запобігання ковзанню піни. Тому ми можемо знати, яка мінімальна шорсткість ложки, щоб правильно приготувати шоколадний мус !
У протилежному випадку, коли шорсткість фіксована, як це відбувається з розміром смакових рецепторів наших мов, тепер ми можемо розробляти піни з більш-менш рідиною або з більш-менш великими бульбашками, залежно від текстури, яку ми хочемо отримати для наших кулінарних препаратів (див. малюнок 2). Зрештою, можна було б уявити, що ці дослідження можуть бути використані для адаптації продуктів харчування, що надаються пацієнтам із порушеннями ковтання (дисфагія), які дуже чутливі до текстури продуктів. Ви також можете адаптувати косметику до текстури шкіри споживачів або оцінити кількість бульбашок, які слід додати до бетону, відповідно до шорсткості матеріалу, на який його наносять.

Рисунок 1: Грубе лезо, занурене в піну, вид збоку. Мус готується з промивної рідини та води. Шорстке предметне скло складається із скляного предметного скляного мікроскопа, покритого скляними намистинами. Краї пінопласту - це темні лінії між мильними бульбашками, чим більше води піна містить, тим вона густіша. Лезо товщиною 1 мм. (Фотограф: Серж Гічард)

Рисунок 2: Піна з яєчного білка, укладена між ложкою та предметним склом, прикрашена шорсткістю, порівнянною зі смаковими рецепторами людського язика. Ця цифра читається вертикально, і кожне зображення відокремлюється на 1 с від попереднього. Зліва пінопласт перебуває в режимі склеєння та прослизання. Ми бачимо, що остання бульбашка процесії рухається на модельному язиці. Праворуч змінилася лише вологість піни, щоб потрапити в режим закріплення піни. Останній міхур залишається прикріпленим, а частина піни осідає на модельному язиці. Ми можемо бачити, що для однієї і тієї ж поверхні - і, отже, одного і того ж язика - і однакового розміру бульбашок, ми можемо мати різні відчуття залежно від вологості піни. Це цікаве спостереження, якщо ми хочемо отримати певну текстуру для наших маленьких страв! (Credit CNRS та Університет Парижа-Сакла, Манон Маршан)

Список літератури

Тертя, спричинене шорсткістю, про рідкі піни
Манон Маршан, Фредерік Рестаньо, Еммануель Ріо та Франсуа Булонь
Фізичні оглядові листи 124, 118003 (2020)
doi: 10.1103/PhysRevLett.124.118003