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          造成泡泡破裂的不是重力,而是表面張力

          來源:中科院物理所 瀏覽 40 次 發布時間:2022-04-25

          在粘性液體表面,形成的氣泡是如何破裂的?這個問題看似簡單,但在很長一段時間內,我們擁有的答案都是錯誤的。直到本周,發表于《科學》雜志的一項研究在將液體倒過來之后,顛覆了此前的認知:造成粘性氣泡破裂的不是重力,而是表面張力。


          要理解這個問題,讓我們首先來看看,液體中氣泡從誕生到破裂的全過程。當液體中的氣泡上升到液體表面,氣泡首先形成一個薄膜穹頂。這時,氣泡內的氣體為氣泡提供了支撐。不過,用不了多久,氣泡最終還是破裂了。


          對于這個現象,低粘度液體與高粘度液體有著全然不同的表現。在純水等低粘度的液體中,氣泡在幾毫秒內就會迅速破裂。對于這類液體中的氣泡破裂,科學家早已有了清晰的認識:表面張力和慣性控制了該過程。


          這個結論對于高粘度液體同樣成立嗎?在這類粘性液體中,氣泡破裂的速度要慢得多,破裂過程可能需要1秒,并且破裂的方式也與低粘度液體不同:它們會自行向內坍塌,從而造成結構不穩定,直觀表現就是氣泡周圍出現徑向的褶皺。


          科學家研究了半天,終于搞懂了......泡泡為啥會破裂


          粘性氣泡緩慢的破裂速度,也給了研究人員充足的時間來觀察泡泡坍塌背后的物理機制。在20年前,就有研究仔細觀察、分析了這一問題。當時的研究發現,在粘性液體的表面,在氣泡上表面戳出一個洞時,這個洞會逐漸變大。在這個過程中,氣泡下沉、收縮,直到形成平坦的圓盤狀,而孔洞就位于圓盤中央。因此,科學家此前根據上述現象直觀地推測:由于洞生長的速度不及落下的速度,這類氣泡的坍塌是由重力驅動的。


          不過,波士頓大學的工程師James Bird并不認同這個觀點。為什么重力只在粘性氣泡的坍塌中起作用?在他看來,這個猜想并不合理,為此他決定重做原始實驗。為了研究重力在其中的作用,他在原實驗的基礎上增加了一項:觀察上下位置顛倒的粘性氣泡。


          伯德與合作者使用的粘性液體與原實驗相同:粘性相當于純水100萬倍的硅油。如此大的粘性使得少量硅油即使上下顛倒,也不會流出。



          這時,他們在這些顛倒過來的硅油表面戳出氣泡。他們發現,這時氣泡坍塌的方式與此前正常的情況下完全一致:先是頂部的洞緩慢張開,而氣泡其余部分“下落”,相對快速地變成平坦的圓盤狀。但不要忘了,這時氣泡“落”回粘性液體時,與重力的方向恰好相反。也就是說,此前重力起主導作用的觀點并不成立。


          這項研究的共同作者,波士頓大學的Alexandros Oratis表示:“(根據當時的實驗)猜想重力導致氣泡坍塌是有道理的,但當你計算薄膜上的作用力時,你會發現其表面張力遠大于重力。因此,我們決定上下顛倒重新進行實驗,從而確定重力真正的作用?!?


          表面張力的作用是使表面積最小化。當氣泡呈彎曲的半球形時,其表面積相比于圓盤狀時更大。在氣泡內的壓力大于氣泡外時,表面張力起不到作用。但孔洞一旦形成,內外壓力一致,就沒有作用力可以維系氣泡的曲率了。這時表面張力就會使表面積最小化,使得氣泡不斷收縮,直到變得平坦。



          不過,表面張力對氣泡不同位置的影響不盡相同。氣泡頂部相比于接近氣泡底部的位置更薄,因此頂部坍塌速率高于側面的壁,從而讓人誤以為是重力起了作用。


          當粘性氣泡破裂時,氣泡底部周圍會出現徑向的褶皺。這些徑向褶皺是怎么回事呢?此前的研究對這些褶皺的解釋是,導致氣泡坍塌的重力足以克服表面張力,從而形成褶皺。但既然這個理論被推翻了,按理來說,表面張力會阻止這類褶皺紋路的出現,讓表面變得平坦。那么,這些褶皺又是怎么形成的?


          對于這個悖論,伯德給出的解釋是:在氣泡頂部,薄膜更薄,這里的表面張力可以阻止褶皺形成。但在更厚的氣泡底部,氣泡坍塌造成的收縮足以克服表面張力。


          看到這里你可能要問,這項研究有實際意義嗎?其實,對泡泡感興趣的不僅是孩子,還有火山學家、胸腔科醫生、玻璃工人等等科學、工業領域的工作者。氣泡形成與破裂的物理機制,對于理解自然界與工業界的眾多現象有著重要意義。


          原始論文:


          https://science.sciencemag.org/content/369/6504/685


          參考鏈接:


          https://www.insidescience.org/news/new-theory-says-we%E2%80%99ve-been-wrong-about-how-bubbles-pop


          https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-08/aaft-stn080320.php

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