ฟอง

ฟอง (อังกฤษ: Bubbles) เป็น ก้อนกลมหรือทรงกลมขนาดเล็ก ของสารหนึ่งในอีกสารหนึ่ง โดยทั่วไปหมายถึง ก๊าซในของเหลว จึงมักเรียกว่า ฟองอากาศ ตามคำอธิบายของปรากฎการณ์มารันโกนี (Marangoni effect) ฟองอากาศอาจยังคงสภาพเหมือนเดิม แม้เมื่อลอยมาถึงพื้นผิวของสารที่มันแทรกตัวอยู่

ฟองอากาศใน สระว่ายน้ำ

ฟองก๊าซ ใน น้ำอัดลม

ฟองก๊าซใน บ่อโคลนเดือด

ฟองก๊าซใน บ่อน้ำมันดิน

ฟองสบู่แข็ง จากการเป่าฟองสบู่ในบริเวณที่มีอุณหภูมิบรรยากาศต่ำกว่าจุดเยือกแข็งมาก ๆ

การเป่า(ฟอง)หมากฝรั่ง

ฟองที่เป็นตัวบ่งชี้ในระดับน้ำ

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
• ฟองของก๊าซที่ติดอยู่ในเนื้อแก้วระหว่างการผลิต
• 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

การสลายตัวอย่างรุนแรงของฟองอากาศ (โพรงอากาศ) 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

ตุ่นจมูกดาว และหนูผี สามารถดมกลิ่นใต้น้ำได้โดยหายใจเข้าทางรูจมูกอย่างรวดเร็วและทำให้เกิดฟอง

การไหลเป็นจังหวะ

เมื่อฟองอากาศถูกรบกวน (เช่น เมื่อฉีดฟองก๊าซใต้น้ำ) ผนังฟองจะสั่น ซึ่งมักสังเกตเห็นได้ยากจากการถูกบดบังของการวิรูปของทรงฟอง (การเสียรูปของฟอง) ที่เห็นได้ง่ายกว่าจากขนาดของปรากฏการณ์ที่มีขนาดใหญ่กว่ามาก องค์ประกอบของการแกว่งจะเปลี่ยนปริมาตรของฟอง (หมายถึงการไหลที่เป็นจังหวะ เช่น ชีพจร) ในกรณีควบคุมที่ไม่มีสนามเสียงจากภายนอกรบกวนจะทำให้เกิดความถี่ธรรมชาติของฟอง การไหลเป็นจังหวะเป็นองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดในการแกว่ง (oscillation) จากการเปลี่ยนปริมาตรของก๊าซจะทำให้ความดันเปลี่ยนไปเป็น และนำไปสู่การเปล่งเสียงสะท้อน (emission of sound) ตามความถี่ธรรมชาติของฟอง สำหรับฟองอากาศในน้ำฟองอากาศขนาดใหญ่ (ในสภาวะความตึงผิวและการนำความร้อน ที่เล็กน้อย) จะผ่านการไหลเป็นจังหวะแบบอะเดียแบติก ซึ่งหมายความว่าจะไม่มีการถ่ายเทความร้อนจากของเหลวไปยังก๊าซหรือในทางกลับกัน ความถี่ธรรมชาติของฟองดังกล่าวถูกกำหนดโดยสมการ:

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

ตัวแปร :

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

สำหรับฟองอากาศในน้ำ ฟองอากาศขนาดเล็กกว่าจะผ่านการไหลเป็นจังหวะในกระบวนไอโซเทอร์มอล (กระบวนการเปลี่ยนแปลงที่อุณหภูมิคงที่ ความดันและปริมาตรจะเปลี่ยนไป) สมการที่สอดคล้องกันสำหรับฟองอากาศขนาดเล็กของแรงตึงผิว σ (ในสภาวะความหนืดของของเหลวมีเล็กน้อย) คือ

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

ฟองอากาศที่กลอกกลิ้งจากการติดอยู่ใต้ผิวน้ำ เป็นที่มาของเสียงของเหลวที่สำคัญ เช่น ฟองอากาศภายในข้อนิ้วของเราและเสียงของการหักข้อนิ้ว หรือ เมื่อเม็ดฝน กระทบผิวน้ำ

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

ภาวะฟองอากาศอุดหลอดเลือด สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อฟองอากาศถูกนำเข้าสู่ระบบไหลเวียนโลหิต และฟองอากาศหลุดเข้าไปอยู่ในเส้นเลือดซึ่งมีขนาดเล็กเกินกว่าที่ฟองนั้นจะผ่านได้ ภายใต้ความแตกต่างของความดัน ภาวะฟองอากาศอุดหลอดเลือดอาจเกิดขึ้นจากการรักษาอาการโรคจากการลดความกดอากาศโดยการบำบัดด้วยแรงดันบรรยากาศสูง (hyperbaric exposure) หรือการบาดเจ็บจากการขยายมากเกินไปของปอด (การบาดเจ็บจากแรงกดดัน) หรือเกิดในระหว่างการฉีดเข้าหลอดเลือดดำ หรือระหว่างการผ่าตัด

ดูเพิ่ม

• Sonoluminescence
• โฟม

อ้างอิง

1. Dailymail Watch bubbles FREEZE in slow motion: Ultra HD cameras capture delicate structures turning into ice before shattering สืบค้นเมื่อ 22 ธันวาคม 2563.
2. Subramanian, R. Shankar; Balasubramaniam, R. (2001-04-09). The Motion of Bubbles and Drops in Reduced Gravity (ภาษาอังกฤษ). Cambridge University Press. ISBN 9780521496056.
3. R. J. Dijkink, J. P. van der Dennen, C. D. Ohl, A. Prosperetti,The ‘acoustic scallop’: a bubble-powered actuator, J. Micromech.
4. Weber; และคณะ (1978). Bubbles, Drops and Particles. New York: Dover Publications. ISBN 978-0-486-44580-9.
5. Roxanne Khamsi. "Star-nosed mole can sniff underwater, videos reveal".
6. Minnaert, Marcel, On musical air-bubbles and the sounds of running water, Phil.
7. Leighton, Timothy G., The Acoustic Bubble (Academic, London, 1994).
8. 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.
9. 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.
10. Rankin, Ryan C. (June 2005). "Bubble Resonance". The Physics of Bubbles, Antibubbles, and all That. สืบค้นเมื่อ 2006-12-09.
11. งานเวชศาสตร์ใต้น้ำ โรงพยาบาลวชิระภูเก็ต การเจ็บป่วยจากการดำน้ำ^{[ลิงก์เสีย]} 29 พฤศจิกายน 2554.