科學家研究了半天，終於搞懂了......泡泡為啥會破裂

2020-08-19 中科院物理所

編譯 | 吳非

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，發表於《科學》雜誌的一項研究在將液體倒過來之後，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。

對於這個現象，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。對於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。

這個結論對於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，並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。

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後的物理機制。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，而孔洞就位於圓盤中央。因此，科學家此前根據上述現象直觀地推測：由於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並不認同這個觀點。為什麼重力只在粘性氣泡的坍塌中起作用？在他看來，這個猜想並不合理，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：粘性相當於純水100萬倍的矽油。如此大的粘性使得少量矽油即使上下顛倒，也不會流出。

這時，他們在這些顛倒過來的矽油表面戳出氣泡。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，而氣泡其餘部分「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並不成立。

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於重力。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，其表面積相比於圓盤狀時更大。在氣泡內的壓力大於氣泡外時，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繫氣泡的曲率了。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。氣泡頂部相比於接近氣泡底部的位置更薄，因此頂部坍塌速率高於側面的壁，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。這些徑向褶皺是怎麼回事呢？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。那麼，這些褶皺又是怎麼形成的？

對於這個悖論，伯德給出的解釋是：在氣泡頂部，薄膜更薄，這裡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。

看到這裡你可能要問，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，對於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

參考連結：

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

原標題：一個顛覆性答案，登上《科學》封面：是什麼弄破了這些泡泡？| 科學GIF

來源：環球科學

編輯：Dannis

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