Optymalny kąt do czyszczenia za pomocą bąbelków
&pocisk; Fizyka 16, 71
Strumień pęcherzyków powietrza może być najbardziej skuteczny w czyszczeniu produktów lub sprzętu przemysłowego, jeśli uderza pod odpowiednim kątem.
A. Hooshanginejada i S. Jung/Cornell University
Naukowcy uważają, że mycie warzyw i sprzętu spożywczego przepływającymi płynami wypełnionymi pęcherzykami powietrza może być skuteczne, ale niewiele wiadomo o tym, jak zoptymalizować ten proces. Teraz inżynierowie, korzystając z eksperymentów i symulacji, wykazali, że bąbelki wywierają optymalny efekt czyszczący, jeśli uderzają w powierzchnię pod kątem około 22,5° [1]. Naukowcy mają nadzieję, że ta wiedza pomoże ulepszyć metody delikatnego czyszczenia owoców i warzyw, potencjalnie prowadząc do komercyjnego urządzenia do czyszczenia żywności, które nazywają „owocowym jacuzzi”.
Jak wskazuje bioinżynier Sunghwan „Sunny” Jung z Cornell University, bąbelki wstrzykiwane do płynu od dawna są używane do czyszczenia powierzchni inkrustowanych biofilmem w miejscach takich jak oczyszczalnie ścieków. Eksperci na ogół uważają, że technika działa, ponieważ pęcherzyki przepływające po powierzchni wywierają siłę ścinającą, równoległą do powierzchni, która ma tendencję do usuwania przyczepionych zanieczyszczeń. „Jest to podobne do tego, jak poruszasz dłonią po powierzchni skóry podczas czyszczenia ciała, przykładając siłę ścinającą do powierzchni” – mówi Jung. Mimo to, jak mówi, niewiele wiadomo na temat podstaw naukowych tego efektu, aw szczególności na temat tego, w jaki sposób ruchy pęcherzyków w płynie mogą zoptymalizować czyszczenie.
Aby wyjaśnić te szczegóły, Jung i współpracownicy przeprowadzili serię eksperymentów. Najpierw pokryli każdy zestaw szklanych szkiełek mikroskopowych mieszanką białek na bazie mleka i mąki lub kulturą bakterii E coli. Te powłoki, mówi Jung, naśladują rodzaje zanieczyszczeń występujących na rzeczywistych powierzchniach przemysłowych i produktach spożywczych. Następnie zespół zanurzył każdy preparat w zbiorniku z wodą, powlekaną powierzchnią skierowaną w dół, i za pomocą strzykawki uwolnił strumień bąbelków od dołu. Eksperymentatorzy mogli regulować kąt slajdu względem poziomu. W każdym teście poddawali szkiełko sześciominutowemu strumieniowi bąbelków, które ślizgały się w górę wzdłuż nachylonej powierzchni.
A. Hooshanginejada i S. Jung/Cornell University
Po oczyszczeniu zmierzyli ilość usuwanego filmu zanieczyszczającego, oceniając przezroczystość każdego szkiełka w porównaniu z jego pierwotnym niezanieczyszczonym stanem. W przypadku obu powłok ślizgowych eksperymenty wykazały, że pod każdym badanym kątem zachodziło znaczące czyszczenie. Ale skuteczność czyszczenia wzrastała stopniowo wraz z kątem od 5°, gdzie przezroczystość wynosiła około 70% nieskazitelnego szkiełka, do 20°, gdzie osiągała około 90%. Następnie przezroczystość spadła dla większych kątów, spadając do około 38% przy 40°, największym testowanym kącie.
Jung i współpracownicy przeprowadzili również symulacje numeryczne, które dokładnie przewidziały prędkość przepływu pęcherzyków wzdłuż szkiełka. Ponadto odkryli, że siła ścinająca na szkiełku wzrastała do maksimum pod kątem 22,5°, po czym gwałtownie spadała pod bardziej stromymi kątami.
Aby wyjaśnić istnienie optymalnego kąta czyszczenia, naukowcy wskazują na dwa główne czynniki, które wpływają na siłę ścinającą, jaką bąbelkowata warstwa płynu może wywierać na powierzchnię: prędkość przepływu i grubość warstwy. Jak zaobserwował zespół w symulacjach, zwiększenie nachylenia zjeżdżalni umożliwia bąbelkom szybsze poruszanie się po powierzchni. Wyższa prędkość zwiększa czyszczącą siłę ścinającą. Jednak wraz ze wzrostem kąta siła wyporu działająca na pęcherzyki – zawsze skierowana pionowo – ma malejącą składową skierowaną na powierzchnię, co zmniejsza średni czas, jaki pęcherzyki spędzają na dociskaniu (i zwiększa grubość warstwy). Wzajemne oddziaływanie tych dwóch czynników prowadzi do maksymalnej siły i optymalnego czyszczenia przy około 22,5°.
Jung ma nadzieję wykorzystać wyniki, projektując nowy sprzęt czyszczący dla przemysłu spożywczego. Wyobraża sobie „owocowe jacuzzi”, które mogłoby delikatnie, ale skutecznie czyścić owoce za pomocą kąpieli ukierunkowanych bąbelków.
„To doskonały przykład tego, jak fundamentalne badania w mechanice płynów mogą mieć natychmiastowe praktyczne konsekwencje” — mówi Roberto Zenit, inżynier i specjalista w dziedzinie mechaniki płynów na Uniwersytecie Browna w stanie Rhode Island. „Ten artykuł w zasadzie mówi ci, jak długo twoje owoce musiałyby być„ bąbelkowane ”, aby warstwa bakterii została wypłukana”.
– Marek Buchanan
Mark Buchanan jest niezależnym pisarzem naukowym, który dzieli swój czas między Abergavenny w Wielkiej Brytanii i Notre Dame de Courson we Francji.
Bibliografia
- A. Hooshanginejada i in.„Wpływ kąta na usuwanie białek lub bakterii z pochylonej powierzchni za pomocą pęcherzyków powietrza”, fizyka Rev. Płyny 8043602 (2023).
Obszary podlegające
