科学家揭示气泡破灭的物理学过程

从表面上看，泡沫破裂似乎是一件简单而普通的事情。在6月10日的《自然》杂志上，哈佛大学的工程师报道说，相反，泡沫破裂的背后是一个微妙而复杂的物理过程。

泡沫不会简单地消失。一个大气泡会消散成一串小气泡。这一发现可以称为“爆破”科学领域的一个进步。

灵感来自意外。

论文的主要作者詹姆斯·伯德是哈佛大学工程与应用科学系的毕业生，他和他的同事偶然发现了这一普遍规律。他们说水槽里的泡沫和海洋里的泡沫爆裂的方式完全一样。

伯德和他的合著者劳伦·科尔宾是哈佛大学工程与应用科学系的前助理研究员，他们在一次午夜实验室会议上启发了关于泡沫如何破裂的研究。那时，他们正在研究如何在不同的表面散布气泡。他们注意到了这些小气泡，并决定找出原因。

"从那以后，每当下雨，我都会绕着水坑跑，看着泡泡破裂."伯德说，“当我在海里游泳时，我也会盯着海面上的气泡，看看是否能观察到同样的效果。我很快意识到这种现象无处不在。”

泡沫破裂三部曲

伯德解释说，为了使表面积最小，当泡沫与固体或液体界面接触时，它将接近半球形。当这些半球形气泡破裂时，一串小气泡分两步产生。尽管由此产生的小气泡很长时间以来都很常见，但这些小气泡串是如何产生的，在文献中从未有过报道。

伯德认为，气泡的曲面在这个过程中起着关键作用，因为这种形状会导致气泡内部的压力高于外部的压力。一旦气泡打破平衡(如破裂)，表面张力将产生向内的合力。在第一步中，当气泡收缩时，作用在气泡上的力将使气泡膜覆盖住自身，从而将气囊困在圆环中。在第二步中，表面张力将气囊分解成一串更小的气泡，就像淋浴头中的微小水流由于表面张力将一个接一个地变成水滴。

然而，这种级联效应是短暂的，迄今为止在实验中还没有出现超过两次。最小的气泡不再形成球形帽，并重新与液体结合，这是级联的末端。

这个过程既精致又复杂。

爆炸过程发生得如此之快，以至于肉眼无法看到。研究小组使用高速照相机拍摄气泡破裂的过程。基于观察到的视频，他们构建了一个数学模型来测试和复制他们的实验假设。

气泡破裂背后的物理过程似乎完全不受气泡材料的影响。研究人员惊讶地发现，即使在粘度高达5000倍的水溶液中，小气泡串效应仍然可以在诸如油之类的粘性液体中观察到。伯德希望继续研究在更特殊的材料中类似的开裂效应，如熔融玻璃、岩浆和泥浆。

虽然理解泡沫是如何破裂的在不久的将来可能不会有任何实际的应用，但是研究人员预计，理解如何从更大的泡沫中创造出小的泡沫也许有一天会有助于理解各个领域。

该论文的合著者、普林斯顿大学机械和航空航天工程教授霍华德·柊司说:“我们已经对观察到这些小气泡的原因给出了一个大致的解释。”。“我们认为这项研究的重点之一是大气泡在气溶胶形成中的作用。”

众所周知，当小气泡在液体表面破裂时，小液滴将向上喷射。这种效果在碳酸软饮料中很容易观察到和感觉到。泡沫介导的气溶胶也与健康和气候应用相关。这些液滴可以将大面积水域(如海洋)中的任何导电物质(如可溶性气体或盐)转移到空气中。

在家试试。

“许多尖端科学成就必须用特殊的设备或仪器来观察。伯德总结道:“我喜欢这项研究的原因是，任何人都可以看到他们厨房的整体效果，尽管这是一个相对简单的效果，但你最终可以观察到美丽的图案，并得出一个具有普遍意义的结论。”

尖端科学通常不是任何人在家庭厨房都能做到的。然而，这篇发表在6月10日《自然》杂志上的文章的灵感可以很快重现，只要你准备一些肥皂水、一块玻璃和一根吸管。

为了尝试这个实验，你只需将吸管的一端浸入水中，浸入肥皂水中，然后将它放在玻璃上，同时吹动吸管的另一端，在玻璃上形成一个大约2厘米到3厘米大小的半球形泡沫。

现在，你只能静静地等待泡沫破裂。如果你等得不耐烦，你也可以用手打破它。仔细观察泡泡的边缘，你会看到一串漂亮的小泡泡。