荣兴彩票官方下载-一个颠覆性答案,登上《科学》封面:是什么弄破了这些泡泡?

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  来源:环球科学

  编译:吴非

  在粘性液体表面,形成的气泡是如何破裂的?这个问题看似简单,但在很长一段时间内,我们拥有的答案都是错误的。直到本周,发表于《科学》杂志的一项研究在将液体倒过来之后,颠覆了此前的认知:造成粘性气泡破裂的不是重力,而是表面张力。

  要理解这个问题,让我们首先来看看,液体中气泡从诞生到破裂的全过程。当液体中的气泡上升到液体表面,气泡首先形成一个薄膜穹顶。这时,气泡内的气体为气泡提供了支撑。不过,用不了多久,气泡最终还是破裂了。

  对于这个现象,低粘度液体与高粘度液体有着全然不同的表现。在纯水等低粘度的液体中,气泡在几毫秒内就会迅速破裂。对于这类液体中的气泡破裂,科学家早已有了清晰的认识:表面张力和惯性控制了该过程。

  这个结论对于高粘度液体同样成立吗?在这类粘性液体中,气泡破裂的速度要慢得多,破裂过程可能需要1秒,并且破裂的方式也与低粘度液体不同:它们会自行向内坍塌,从而造成结构不稳定,直观表现就是气泡周围出现径向的褶皱。

  粘性气泡缓慢的破裂速度,也给了研究人员充足的时间来观察泡泡坍塌背后的物理机制。在20年前,就有研究仔细观察、分析了这一问题。当时的研究发现,在粘性液体的表面,在气泡上表面戳出一个洞时,这个洞会逐渐变大。在这个过程中,气泡下沉、收缩,直到形成平坦的圆盘状,而孔洞就位于圆盘中央。因此,科学家此前根据上述现象直观地推测:由于洞生长的速度不及落下的速度,这类气泡的坍塌是由重力驱动的。

  不过,波士顿大学的工程师James Bird并不认同这个观点。为什么重力只在粘性气泡的坍塌中起作用?在他看来,这个猜想并不合理,为此他决定重做原始实验。为了研究重力在其中的作用,他在原实验的基础上增加了一项:观察上下位置颠倒的粘性气泡。

  伯德与合作者使用的粘性液体与原实验相同:粘性相当于纯水100万倍的硅油。如此大的粘性使得少量硅油即使上下颠倒,也不会流出。

  这时,他们在这些颠倒过来的硅油表面戳出气泡。他们发现,这时气泡坍塌的方式与此前正常的情况下完全一致:先是顶部的洞缓慢张开,而气泡其余部分“下落”,相对快速地变成平坦的圆盘状。但不要忘了,这时气泡“落”回粘性液体时,与重力的方向恰好相反。也就是说,此前重力起主导作用的观点并不成立

  这项研究的共同作者,波士顿大学的Alexandros Oratis表示:“(根据当时的实验)猜想重力导致气泡坍塌是有道理的,但当你计算薄膜上的作用力时,你会发现其表面张力远大于重力。因此,我们决定上下颠倒重新进行实验,从而确定重力真正的作用。”

  表面张力的作用是使表面积最小化。当气泡呈弯曲的半球形时,其表面积相比于圆盘状时更大。在气泡内的压力大于气泡外时,表面张力起不到作用。但孔洞一旦形成,内外压力一致,就没有作用力可以维系气泡的曲率了。这时表面张力就会使表面积最小化,使得气泡不断收缩,直到变得平坦。

  不过,表面张力对气泡不同位置的影响不尽相同。气泡顶部相比于接近气泡底部的位置更薄,因此顶部坍塌速率高于侧面的壁,从而让人误以为是重力起了作用。

  当粘性气泡破裂时,气泡底部周围会出现径向的褶皱。这些径向褶皱是怎么回事呢?此前的研究对这些褶皱的解释是,导致气泡坍塌的重力足以克服表面张力,从而形成褶皱。但既然这个理论被推翻了,按理来说,表面张力会阻止这类褶皱纹路的出现,让表面变得平坦。那么,这些褶皱又是怎么形成的?

  对于这个悖论,伯德给出的解释是:在气泡顶部,薄膜更薄,这里的表面张力可以阻止褶皱形成。但在更厚的气泡底部,气泡坍塌造成的收缩足以克服表面张力。

  看到这里你可能要问,这项研究有实际意义吗?其实,对泡泡感兴趣的不仅是孩子,还有火山学家、胸腔科医生、玻璃工人等等科学、工业领域的工作者。气泡形成与破裂的物理机制,对于理解自然界与工业界的众多现象有着重要意义。