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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 1915 次 發(fā)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(nèi)，我們擁有的答案都是錯誤的。直到本周，發(fā)表于《科學(xué)》雜志的一項研究在將液體倒過來之后，顛覆了此前的認(rèn)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(dāng)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(nèi)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(xiàn)象，低粘度液體與高粘度液體有著全然不同的表現(xiàn)。在純水等低粘度的液體中，氣泡在幾毫秒內(nèi)就會迅速破裂。對于這類液體中的氣泡破裂，科學(xué)家早已有了清晰的認(rèn)識：表面張力和慣性控制了該過程。
這個結(jié)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(nèi)坍塌，從而造成結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，直觀表現(xiàn)就是氣泡周圍出現(xiàn)徑向的褶皺。
科學(xué)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(jī)制。在20年前，就有研究仔細(xì)觀察、分析了這一問題。當(dāng)時的研究發(fā)現(xiàn)，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(xué)家此前根據(jù)上述現(xiàn)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(qū)動的。
不過，波士頓大學(xué)的工程師James Bird并不認(rèn)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(chǔ)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(dāng)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(fā)現(xiàn)，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(dǎo)作用的觀點并不成立。
這項研究的共同作者，波士頓大學(xué)的Alexandros Oratis表示：“（根據(jù)當(dāng)時的實驗）猜想重力導(dǎo)致氣泡坍塌是有道理的，但當(dāng)你計算薄膜上的作用力時，你會發(fā)現(xiàn)其表面張力遠(yuǎn)大于重力。因此，我們決定上下顛倒重新進(jìn)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(dāng)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(nèi)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(nèi)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(cè)面的壁，從而讓人誤以為是重力起了作用。
當(dāng)粘性氣泡破裂時，氣泡底部周圍會出現(xiàn)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(dǎo)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(xiàn)，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(xué)家、胸腔科醫(yī)生、玻璃工人等等科學(xué)、工業(yè)領(lǐng)域的工作者。氣泡形成與破裂的物理機(jī)制，對于理解自然界與工業(yè)界的眾多現(xiàn)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