ฟอง

ฟอง เป็น ก้อนกลม หรือทรงกลมขนาดเล็ก ของสารหนึ่งในอีกสารหนึ่ง โดยทั่วไปหมายถึง ก๊าซในของเหลว^[1] จึงมักเรียกว่า ฟองอากาศ ตามคำอธิบายของปรากฎการณ์มารันโกนี (Marangoni effect) ฟองอากาศอาจยังคงสภาพเหมือนเดิม แม้เมื่อลอยมาถึงพื้นผิวของสารที่มันแช่อยู่

ตัวอย่างทั่วไป

ฟอง มีให้เห็นหลายแห่งในชีวิตประจำวัน เช่น

ฟองที่เกิดจากการก่อตัวตกตะกอน (Nucleation) ขึ้นเองตามธรรมชาติของคาร์บอนไดออกไซด์ ที่อิ่มตัวยิ่งยวดในน้ำอัดลม
ฟองของไอน้ำ ในน้ำเดือด
เมื่ออากาศ ผสมลงในน้ำที่อยู่ในสภาพปั่นป่วน เช่นกระแสน้ำใต้น้ำตก
ทะเลโฟม ซึ่งเป็นปรากฎการณ์ที่เกิดขึ้นโดยสภาพปั่นป่วนของน้ำทะเล โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีสารอินทรีย์โปรตีนลิกนินและไขมันที่ละลายในความเข้มข้นสูงกว่า จากแหล่งต่าง ๆ เช่น การสลายตัวนอกชายฝั่งของสาหร่ายสารประกอบเหล่านี้สามารถทำหน้าที่เป็นสารลดแรงตึงผิวหรือสารทำให้เกิดฟอง
ฟองสบู่
ฟองก๊าซ ที่เป็นผลของปฏิกิริยาทางเคมี เช่น เบกกิ้งโซดา รวมกับ น้ำส้มสายชู
ฟองของก๊าซที่ติดอยู่ในแก้วระหว่างการผลิต
ฟองที่เป็นตัวบ่งชี้ในระดับน้ำ (Precision Level หรือ Spirit Level หรือ Bubble Level) — อุปกรณ์ที่ใช้สำหรับการวัดระดับความเอียงของระนาบ

ฟิสิกส์และเคมี

ฟองก่อตัวและรวมตัวกันเป็นรูปทรงกลม เนื่องจากรูปร่างเหล่านั้นอยู่ในสถานะพลังงานที่ต่ำกว่า สำหรับคำอธิบายทางฟิสิกส์และเคมี โปรดดู การก่อตัวตกตะกอน (Nucleation)

ลักษณะ

ฟองอากาศ สามารถมองเห็นได้เนื่องจากมี ดัชนีการหักเหของแสง (RI) ที่แตกต่างจากสารโดยรอบ ตัวอย่างเช่น RI ของอากาศมีค่าประมาณ 1.0003 และ RI ของน้ำอยู่ที่ประมาณ 1.333 กฎของสเนลล์ อธิบายว่าการเปลี่ยนทิศทางคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ส่วนต่อประสานระหว่างสองตัวกลางที่มีค่า IR ต่างกัน ดังนั้นจึงสามารถระบุฟองอากาศได้จากการหักเหของแสง และการสะท้อนกลับหมดของแสง แม้ว่าตัวกลางที่ถูกแช่และในน้ำจะมีความโปร่งใสก็ตาม

คำอธิบายข้างต้นอธิบายเฉพาะฟองของสื่อหนึ่งที่จมอยู่ในตัวกลางอื่นเท่านั้น (เช่น ฟองก๊าซในน้ำอัดลม) ปริมาตรของฟองเมมเบรน (เช่นฟองสบู่) จะไม่บิดเบือนแสงมากนักและสามารถมองเห็นฟองเมมเบรนเนื่องจากการแทรกสอดในฟิล์มบาง (thin-film diffraction) และการสะท้อนแสงสมบูรณ์ (specular reflection)

การประยุกต์ใช้งาน

การก่อตัวตกตะกอน (Nucleation) สามารถเกิดขึ้นได้โดยเจตนาเช่น การสร้าง bubblegram ในของแข็ง

ในการถ่ายภาพอัลตราซาวนด์ทางการแพทย์จะใช้ฟองอากาศห่อหุ้มขนาดเล็กที่เรียกว่า คอนทราสต์เอเจนต์ เพื่อเพิ่มความคมชัด

ในการพิมพ์แบบอิงค์เจ็ท ฟองไอของน้ำหมึกเป็นตัวกระตุ้น บางครั้งใช้เป็นตัวกระตุ้นให้ทำงานในงานไมโครฟลูอิดิกส์ อื่น ๆ ได้แก่ ในงานอณูชีววิทยา เช่น การวิเคราะห์ดีเอ็นเอ ^[2]

การสลายตัวอย่างรุนแรงของฟองอากาศ (การเกิดโพรง) ใกล้พื้นผิวที่เป็นของแข็ง และผลของการเกิดไอพ่นปะทะ (การย้อยกลับของกระแสก๊าซหรือของเหลวที่พ่นออกมาอย่างรวดเร็วก่อนหน้า) ที่เกิดขึ้นนำไปใช้เป็นกลไกของการทำความสะอาดด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง ปรากฎการณ์เดียวกันนี้ในขนาดที่ใหญ่กว่าใช้ในอาวุธระเบิดแบบวิ่งเข้าหาเป้า เช่น บาซูก้า และตอร์ปิโด กุ้งดีดขันยังใช้ผลของฟอง (โพรง) ที่ยุบตัวเป็นอาวุธ ผลเดียวกันนี้ใช้ในการรักษานิ่วในไตซึ่งเรียกว่าการใช้คลื่นเสียงนอกกายสลายนิ่ว (extracorporeal shock wave lithotripsy, ESWL) สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมในทะเลเช่น โลมา และ วาฬ ใช้ฟองอากาศเพื่อความบันเทิงหรือเป็นเครื่องมือช่วยล่าเหยื่อ เครื่องเติมอากาศ (aerator) ใช้หลักการนี้โดยทำให้เกิดการสลายตัวของก๊าซในของเหลว โดยการฉีดฟองอากาศซึ่งเพิ่มแรงดันของน้ำในขณะที่ใช้ปริมาณน้ำลดลง

วิศวกรเคมี และ วิศวกรโลหการ อาศัยฟองอากาศในการปฏิบัติงาน เช่นการกลั่น การดูดซับ การลอยตัว และการทำแห้งแบบพ่นฝอย กระบวนการที่ซับซ้อนเหล่านี้มักต้องคำนึงถึง มวล การถ่ายเทความร้อน และการสร้างโดยการจำลองแบบจากหลักพลศาสตร์ของไหล ^[3]

ตุ่นจมูกดาว และ หนูผี สามารถดมกลิ่นใต้น้ำได้โดยหายใจเข้าทางรูจมูกอย่างรวดเร็วและทำให้เกิดฟอง ^[4]

การไหลเป็นจังหวะ

เมื่อฟองอากาศถูกรบกวน (เช่นเมื่อฉีดฟองก๊าซใต้น้ำ) ผนังฟองจะสั่น ซึ่งมักสังเกตเห็นได้ยากจากการถูกบดบังของการวิรูปของทรงฟอง (การเสียรูปของฟอง) ที่เห็นได้ง่ายกว่าจากขนาดของปรากฏการณ์ที่มีขนาดใหญ่กว่ามาก องค์ประกอบของการแกว่งจะเปลี่ยนปริมาตรของฟอง (หมายถึงการไหลที่เป็นจังหวะ เช่น ชีพจร) ในกรณีควบคุมที่ไม่มีสนามเสียงจากภายนอกรบกวนจะทำให้เกิดความถี่ธรรมชาติของฟอง การไหลเป็นจังหวะเป็นองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดในการแกว่ง (oscillation) จากการเปลี่ยนปริมาตรของก๊าซจะทำให้ความดันเปลี่ยนไปเป็น และนำไปสู่การเปล่งเสียงสะท้อน (emission of sound) ตามความถี่ธรรมชาติของฟอง สำหรับฟองอากาศในน้ำฟองอากาศขนาดใหญ่ (ในสภาวะความตึงผิวและการนำความร้อน ที่เล็กน้อย) จะผ่านการไหลเป็นจังหวะแบบอะเดียแบติก ซึ่งหมายความว่าจะไม่มีการถ่ายเทความร้อนจากของเหลวไปยังก๊าซหรือในทางกลับกัน ความถี่ธรรมชาติของฟองดังกล่าวถูกกำหนดโดยสมการ: ^[5] ^[6]

f_{0}={1 \over 2\pi R_{0}}{\sqrt {3\gamma p_{0} \over \rho }}

ตัวแปร :

$\gamma$ คือ อัตราส่วนความร้อนจำเพาะ ของก๊าซ
$R_{0}$ คือ รัศมี ณ สภาวะคงตัว
$p_{0}$ คือ ความดัน ณ สภาวะคงตัว (ความดันบรรยากาศ)
$\rho$ คือ ความหนาแน่นของมวล ของของเหลวโดยรอบ

สำหรับฟองอากาศในน้ำ ฟองอากาศขนาดเล็กกว่าจะผ่านการไหลเป็นจังหวะในกระบวนไอโซเทอร์มอล (กระบวนการเปลี่ยนแปลงที่อุณหภูมิคงที่ ความดันและปริมาตรจะเปลี่ยนไป) สมการที่สอดคล้องกันสำหรับฟองอากาศขนาดเล็กของแรงตึงผิว σ (ในสภาวะความหนืดของของเหลวมีเล็กน้อย) คือ ^[6]

f_{0}={1 \over 2\pi R_{0}}{\sqrt {{3p_{0} \over \rho }+{4\sigma  \over \rho R_{0}}}}

ฟองอากาศที่กลอกกลิ้งจากการติดอยู่ใต้ผิวน้ำ เป็นที่มาของเสียงของเหลวที่สำคัญ เช่น ฟองอากาศภายในข้อนิ้วของเราและเสียงของการหักข้อนิ้ว ^[7] หรือ เมื่อเม็ดฝน กระทบผิวน้ำ ^[8]^[9]

สรีรวิทยาและการแพทย์

การบาดเจ็บจากการเกิดฟองและพองโตในเนื้อเยื่อของร่างกาย จากกลไกของโรคจากการลดความกดอากาศ หรือ โรคน้ำหนีบ (Decompression sickness) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อเนื้อเยื่อต่าง ๆ ของร่างกายได้รับก๊าซเฉื่อย (ก๊าซไนโตรเจน) ภายใต้ความกดดัน (การดำน้ำของนักดำน้ำทั่วไปเป็นอากาศอัด) จนเกิดภาวะอิ่มตัวอย่างยิ่งยวด เมื่อมีการลดความกดดันอย่างรวดเร็ว (การดำขึ้นสู่ผิวน้ำ) เนื้อเยื่อจึงคายก๊าซไนโตรเจนที่เกินออกเกิดเป็นฟองอากาศ และเข้าสู่ระบบต่าง ๆ ของร่างกายรวมทั้งระบบการไหลเวียนของเส้นเลือด ฟองก๊าซเกิดขึ้นเกินกว่าความสามารถของร่างกายที่จะกำจัดได้ ทำให้เนื้อเยื่อและหลอดเลือดได้รับบาดเจ็บและเกิดการอักเสบจากการเบียดแทรก บีบกด จากฟองอากาศ หรือการขวางการไหลเวียนของหลอดเลือด เนื้อเยื่อเกิดการขาดเลือด และเกิดการอุดตันในส่วนต่าง ๆ ของร่างกาย^[10]

ภาวะฟองอากาศอุดหลอดเลือด สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อฟองอากาศถูกนำเข้าสู่ระบบไหลเวียนโลหิต และฟองอากาศหลุดเข้าไปอยู่ในเส้นเลือดซึ่งมีขนาดเล็กเกินกว่าที่ฟองนั้นจะผ่านได้ภายใต้ความแตกต่างของความดัน ซึ่งอาจเกิดขึ้นจากการรักษาอาการโรคจากการลดความกดอากาศลดความกดอากาศที่ได้รับการบำบัดด้วยแรงดันบรรยากาศสูง (hyperbaric exposure) หรือการบาดเจ็บจากการขยายมากเกินไปของปอด (การบาดเจ็บจากแรงกดดัน) หรือเกิดในระหว่าง การฉีดเข้าหลอดเลือดดำ หรือระหว่างการผ่าตัด

ดูสิ่งนี้ด้วย

Sonoluminescence
ฟิวชั่นฟอง
โฟม
อะคูสติกใต้น้ำ
เสียงสะท้อน Minnaert
แอนติบอดี

อ้างอิง

↑ Subramanian, R. Shankar; Balasubramaniam, R. (2001-04-09). The Motion of Bubbles and Drops in Reduced Gravity (ภาษาอังกฤษ). Cambridge University Press. ISBN 9780521496056.
↑ R. J. Dijkink, J. P. van der Dennen, C. D. Ohl, A. Prosperetti,The ‘acoustic scallop’: a bubble-powered actuator, J. Micromech.
↑ Weber; และคณะ (1978). Bubbles, Drops and Particles. New York: Dover Publications. ISBN 978-0-486-44580-9.
↑ Roxanne Khamsi. "Star-nosed mole can sniff underwater, videos reveal".
↑ Minnaert, Marcel, On musical air-bubbles and the sounds of running water, Phil.
↑ ^6.0 ^6.1 Leighton, Timothy G., The Acoustic Bubble (Academic, London, 1994).
↑ Chandran Suja, V.; Barakat, A. I. (2018-03-29). "A Mathematical Model for the Sounds Produced by Knuckle Cracking". Scientific Reports (ภาษาอังกฤษ). 8 (1): 4600. Bibcode:2018NatSR...8.4600C. doi:10.1038/s41598-018-22664-4. ISSN 2045-2322. PMC 5876406. PMID 29599511.
↑ Prosperetti, Andrea; Oguz, Hasan N. (1993). "The impact of drops on liquid surfaces and the underwater noise of rain". Annual Review of Fluid Mechanics. 25: 577–602. Bibcode:1993AnRFM..25..577P. doi:10.1146/annurev.fl.25.010193.003045.
↑ Rankin, Ryan C. (June 2005). "Bubble Resonance". The Physics of Bubbles, Antibubbles, and all That. สืบค้นเมื่อ 2006-12-09.
↑ งานเวชศาสตร์ใต้น้ำ โรงพยาบาลวชิระภูเก็ต การเจ็บป่วยจากการดำน้ำ 29 พฤศจิกายน 2554.

[1] Subramanian, R. Shankar; Balasubramaniam, R. (2001-04-09). The Motion of Bubbles and Drops in Reduced Gravity (ภาษาอังกฤษ). Cambridge University Press. ISBN 9780521496056.

[2] R. J. Dijkink, J. P. van der Dennen, C. D. Ohl, A. Prosperetti,The ‘acoustic scallop’: a bubble-powered actuator, J. Micromech.

[3] Weber; และคณะ (1978). Bubbles, Drops and Particles. New York: Dover Publications. ISBN 978-0-486-44580-9.

[4] Roxanne Khamsi. "Star-nosed mole can sniff underwater, videos reveal".

[5] Minnaert, Marcel, On musical air-bubbles and the sounds of running water, Phil.

[Leighton-6] 6.0 ^6.1 Leighton, Timothy G., The Acoustic Bubble (Academic, London, 1994).

[7] Chandran Suja, V.; Barakat, A. I. (2018-03-29). "A Mathematical Model for the Sounds Produced by Knuckle Cracking". Scientific Reports (ภาษาอังกฤษ). 8 (1): 4600. Bibcode:2018NatSR...8.4600C. doi:10.1038/s41598-018-22664-4. ISSN 2045-2322. PMC 5876406. PMID 29599511.

[8] Prosperetti, Andrea; Oguz, Hasan N. (1993). "The impact of drops on liquid surfaces and the underwater noise of rain". Annual Review of Fluid Mechanics. 25: 577–602. Bibcode:1993AnRFM..25..577P. doi:10.1146/annurev.fl.25.010193.003045.

[9] Rankin, Ryan C. (June 2005). "Bubble Resonance". The Physics of Bubbles, Antibubbles, and all That. สืบค้นเมื่อ 2006-12-09.

[10] งานเวชศาสตร์ใต้น้ำ โรงพยาบาลวชิระภูเก็ต การเจ็บป่วยจากการดำน้ำ 29 พฤศจิกายน 2554.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]