(北京大學王樹峰編譯自Philip Ball. Physics，October 30，2015)
當氣球爆裂時，它會裂成多少碎片呢？研究人員利用高速攝像機來研究這一現象，觀察到兩種不同的爆裂模式，即單片撕裂模式和多片撕裂模式，並對它們產生的原因進行了解釋。研究人員將扁平的橡膠氣球充氣，隨後讓它們炸裂，通過充氣量的控制，使實驗得以準確重複。經過分析視頻數據，他們發現爆裂方式依賴於橡膠壁承受的張力，該張力由充入氣球氣體的壓力決定。在低壓下，單一的裂縫就可以釋放壓力，在一定壓力閾值之上時，多裂縫就不可避免了。
在好奇心的驅動下，巴黎高等師範學校(ENS)的Sébastien Moulinet開始思索這一問題。他說：「當我看到一幅描繪氣球爆裂的藝術照片時，我開始對這個問題感興趣。我注意到這些裂痕似乎具有相同的間距」，而且呈現平行排列。這種特性讓碎片產生了一種「肋籠」式的結構。
Moulinet 想了解是什麼導致了這種結構的產生，以及為什麼爆裂有時候只是呈現出簡單的模式。為了解答這個問題，他和ENS的同事Mokhtar Adda-Bedia 利用一個比玩具氣球更可控的系統來開展研究。他們使用了一片均勻平整的乳膠薄片，將它用夾子固定在一個可充氣的5 cm直徑圓孔上，就像肥皂液覆蓋在孩子們的吹泡泡棒上。在孔的前端一個固定距離上，他們安裝了一把可以刺穿氣泡的尖利的刀片，當氣泡在內部壓力的作用下增長到一定尺寸時就會被刀片刺穿。他們可以通過簡單地改變刀片與圓孔間的距離來調整氣球爆裂時的壓力。
他們發現，在較低的壓力下，氣球會在單一的裂縫作用下爆裂。像大嘴張開一樣從刺穿點開始逐漸展開。但是在臨界壓力之上，爆裂模式變成幾個裂縫從刺穿點開始放射狀展開。通過檢視爆裂後的殘片，Moulinet 和Adda-Bedia發現了像樹一樣的枝狀圖樣，這一點在視頻中不易看到。初始的壓力越高，分枝就越多，於是會產生更多的「手指」。
Moulinet 和Adda-Bedia 發現控制爆裂的關鍵參數不是內部壓強，而是橡膠膜的張力。它不僅依賴於氣壓，還與厚度和曲率因素有關。這種張力越大，產生裂縫釋放張力的速度就越快。但是視頻顯示的裂縫沿著橡膠擴張的速度有一定限度。他們發現當張力超過閾值時，裂縫能夠更快地釋放張力的方式就是分裂成多個裂縫。
Moulinet 說：「張力越大，氣球中存儲的彈性勢能就越大，於是就需要更多的裂縫來釋放儲存的能量。」他們研究的對象是平面橡膠薄膜產生的寬頸氣球，氣球在頂部刺破。由此而產生的裂縫像章魚手臂一樣展開，而不是典型的球狀氣球產生的「肋籠」形狀。
耶路撒冷希伯來大學的Jay Fineberg 是斷裂動力學方面的專家，他評論這個發現「為我們已知的斷裂過程增加了相當多的知識。」他說之前的關於斷裂系統的大多數研究觀察到分立裂縫的延伸、交叉和融合。在這個例子中，分枝的樣式顯示出裂縫在傳播中是不穩定的，會導致它們分裂成多個裂縫。他認為這表現了一種新型的破碎模式。
德克薩斯大學奧斯汀分校的Michael Marder 告訴我們，在他幾年前發表了關於橡膠碎片的研究論文之後，他收到許多公園守護人員寄來的「橡膠章魚」，那是一些在樹上發現的氣球殘片。他感到這些形狀很令人困惑，但這些新的實驗結果似乎可以解釋這些現象。
更多內容詳見： Sébastien Moulinet，Mokhtar Adda-Bedia. Phys.Rev. Lett.，2015，115：184301。
氣球爆裂方式：在一定內部氣壓值之下，氣球通過產生單一的裂縫發生爆裂(上排圖)；但當壓力增加時，則會產生放射狀的裂痕，從刺穿點開始產生成一系列裂縫，形成平行的肋式圖樣，並使氣球的表皮爆裂成幾塊碎片(下排圖)。研究人員利用更加可控的系統(將平面橡膠膜充氣)來研究這一現象中豐富的細節
本文選自《物理》2015年第12期
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