php时光戳破技巧_科学家研究了半天终于搞懂了泡泡为啥会破裂

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在粘性液体表面，形成的气泡是如何分裂的？这个问题看似大略，但在很长一段韶光内，我们拥有的答案都是缺点的。
直到本周，揭橥于《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：造成粘性气泡分裂的不是重力，而是表面张力。

要理解这个问题，让我们首先来看看，液体中气泡从出身到分裂的全过程。
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供应了支撑。
不过，用不了多久，气泡终极还是分裂了。

对付这个征象，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分裂。
对付这类液体中的气泡分裂，科学家早已有了清晰的认识：表面张力和惯性掌握了该过程。

（图片来自网络侵删）

这个结论对付高粘度液体同样成立吗？在这类粘性液体中，气泡分裂的速率要慢得多，分裂过程可能须要1秒，并且分裂的办法也与低粘度液体不同：它们会自行向内坍塌，从而造成构造不稳定，直不雅观表现便是气泡周围涌现径向的褶皱。

粘性气泡缓慢的分裂速率，也给了研究职员充足的韶光来不雅观察泡泡坍塌背后的物理机制。
在20年前，就有研究仔细不雅观察、剖析了这一问题。
当时的研究创造，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、紧缩，直到形成平坦的圆盘状，而孔洞就位于圆盘中心。
因此，科学家此前根据上述征象直不雅观地推测：由于洞成长的速率不及落下的速率，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并不认同这个不雅观点。
为什么重力只在粘性气泡的坍塌中起浸染？在他看来，这个猜想并不合理，为此他决定重做原始实验。
为了研究重力在个中的浸染，他在原实验的根本上增加了一项：不雅观察高下位置颠倒的粘性气泡。

伯德与互助者利用的粘性液体与原实验相同：粘性相称于纯水100万倍的硅油。
如此大的粘性使得少量硅油纵然高下颠倒，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。
他们创造，这时气泡坍塌的办法与此前正常的情形下完备同等：先是顶部的洞缓慢伸开，而气泡别的部分“着落”，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。
也便是说，此前重力起主导浸染的不雅观点并不成立。

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，但当你打算薄膜上的浸染力时，你会创造其表面张力远大于重力。
因此，我们决定高下颠倒重新进行实验，从而确定重力真正的浸染。
”

表面张力的浸染是使表面积最小化。
当气泡呈波折的半球形时，其表面积比较于圆盘状时更大。
在气泡内的压力大于气泡外时，表面张力起不到浸染。
但孔洞一旦形成，内外压力同等，就没有浸染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，使得气泡不断紧缩，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。
气泡顶部比较于靠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浸染。

当粘性气泡分裂时，气泡底部周围会涌现径向的褶皱。
这些径向褶皱是怎么回事呢？此前的研究对这些褶皱的阐明是，导致气泡坍塌的重力足以战胜表面张力，从而形成褶皱。
但既然这个理论被推翻了，按理来说，表面张力会阻挡这类褶皱纹路的涌现，让表面变得平坦。
那么，这些褶皱又是怎么形成的？

对付这个悖论，伯德给出的阐明是：在气泡顶部，薄膜更薄，这里的表面张力可以阻挡褶皱形成。
但在更厚的气泡底部，气泡坍塌造成的紧缩足以战胜表面张力。

看到这里你可能要问，这项研究有实际意义吗？实在，对泡泡感兴趣的不仅是孩子，还有火山学家、胸腔科年夜夫、玻璃工人等等科学、工业领域的事情者。
气泡形成与分裂的物理机制，对付理解自然界与工业界的浩瀚征象有着重要意义。

原始论文：

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

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