Mengapakah Gelembung Udara Membesar Ketika Naik dalam Air?

Perhatikan gelembung udara yang dilepaskan dari bahagian bawah sebuah bekas air yang dalam. Gelembung itu bergerak naik menuju permukaan dan, dalam keadaan tertentu, saiznya kelihatan semakin besar sepanjang perjalanan. Pada pandangan pertama, kita mungkin menyangka gelembung itu menerima udara tambahan ketika naik, tetapi gelembung boleh mengembang walaupun jumlah gas di dalamnya kekal sama.

Untuk memahami perubahan ini, kita perlu melihat hubungan antara tekanan hidrostatik, kedalaman dan isi padu gas.

Mengapakah tekanan air bertambah dengan kedalaman?

Air mempunyai jisim dan dipengaruhi oleh graviti. Semakin dalam sesuatu kedudukan di bawah permukaan air, semakin besar tekanan yang disebabkan oleh berat lajur air di atasnya, dan tekanan tambahan akibat kedalaman inilah yang dinamakan tekanan hidrostatik. Bagi air yang ketumpatannya hampir tidak berubah, hubungan itu boleh ditulis sebagai P = ρgh, dengan ρ ialah ketumpatan air, g pecutan graviti dan h kedalaman di bawah permukaan.

Persamaan ini hanya menerangkan tekanan tambahan daripada air. Tekanan keseluruhan pada sesuatu kedalaman turut merangkumi tekanan atmosfera yang bertindak pada permukaan air, jadi tekanan mutlak = tekanan atmosfera + tekanan hidrostatik. Menurut Pentadbiran Lautan dan Atmosfera Kebangsaan Amerika Syarikat (NOAA), tekanan di dalam laut meningkat kira-kira satu atmosfera bagi setiap tambahan kedalaman 10 meter.

Apakah yang berlaku kepada udara di dalam gelembung?

Udara ialah campuran gas yang boleh dimampatkan. Apabila gelembung berada jauh di bawah permukaan, tekanan air di sekelilingnya lebih tinggi dan mengehadkan isi padu gas di dalamnya. Apabila gelembung bergerak naik, tekanan di sekelilingnya berkurang, lalu gas di dalamnya mengembang sehingga tekanan dalam gelembung hampir seimbang dengan tekanan di sekelilingnya. Perbezaan kecil antara keduanya masih mungkin wujud kerana tegangan permukaan, terutamanya bagi gelembung yang sangat kecil.

Hubungan antara tekanan dengan isi padu gas diterangkan oleh hukum Boyle. Bagi jumlah gas yang tetap pada suhu tetap, isi padu gas berkadar songsang dengan tekanan mutlaknya. Hubungan ini dinyatakan oleh persamaan P₁V₁ = P₂V₂. Jika tekanan berkurang kepada separuh, isi padu menjadi dua kali ganda, dengan syarat hukum Boyle boleh digunakan.

Berapa besarkah perubahan saiz gelembung?

Bayangkan gelembung udara dengan isi padu 1 sentimeter padu pada kedalaman kira-kira 10 meter di dalam air tawar. Jika tekanan di dalam gelembung dianggap hampir sama dengan tekanan persekitarannya, tekanan mutlaknya pada kedalaman itu hampir dua atmosfera, iaitu kira-kira dua kali tekanan atmosfera di permukaan. Apabila gelembung naik hampir ke permukaan, tekanan persekitarannya berkurang kepada kira-kira satu atmosfera. Jika suhu dan jumlah gas kekal sama, hukum Boyle memberikan 2 × 1 = 1 × V₂, maka V₂ ≈ 2 sentimeter padu, iaitu isi padu gelembung menjadi kira-kira dua kali ganda.

Ini tidak bermakna diameter gelembung turut berganda. Bagi gelembung berbentuk sfera, isi padu berkadar dengan kuasa tiga jejari, jadi apabila isi padu meningkat dua kali ganda, diameternya hanya bertambah kira-kira 26 peratus. Contoh ini ialah pengiraan berdasarkan model ideal, bukannya hasil pengukuran gelembung sebenar.

Mengapakah gelembung bergerak naik?

Pergerakan gelembung ke atas melibatkan prinsip fizik yang lain, iaitu daya apungan. Air mengenakan tekanan pada seluruh permukaan gelembung, dan oleh sebab tekanan bertambah dengan kedalaman, tekanan pada bahagian bawah gelembung secara umumnya lebih tinggi daripada tekanan pada bahagian atasnya. Perbezaan ini menghasilkan daya apungan yang bertindak ke atas.

Menurut prinsip Archimedes, daya apungan bersamaan dengan berat bendalir yang disesarkan oleh objek. Ketumpatan purata gelembung udara jauh lebih rendah daripada air di sekelilingnya, jadi daya apungan lazimnya melebihi berat gas dalam gelembung dan gelembung bergerak naik. Gelembung tidak semestinya terus memecut, kerana daya seretan akhirnya boleh mengimbangi daya paduan ke atas. Ketika gelembung mengembang, isi padu air yang disesarkannya turut bertambah. Rintangan bendalir turut mempengaruhi kelajuan gelembung.

Adakah semua gelembung pasti membesar ketika naik?

Tidak semestinya. Hukum Boyle memberikan ramalan yang berguna apabila suhu dan jumlah gas dianggap tetap. Dalam air sebenar, gas boleh larut ke dalam air atau berpindah daripada air ke dalam gelembung, dan dua gelembung juga boleh bergabung menjadi gelembung yang lebih besar. Perubahan suhu dan tegangan permukaan boleh mempengaruhi saiz gelembung, terutamanya gelembung yang sangat kecil, dan gelembung boleh berubah bentuk akibat pergerakan air.