相信大多数的人有吹过泡泡,以及看过饮料、鱼缸的泡沫。泡泡的最终命运是“破掉”,但你们可曾想过:为什么泡泡会破?

泡泡虽然不起眼,但泡泡的存在会影响人体、产品,攸关着医疗流程、工业制程等等,因此科学界一直有在研究泡泡形成、破裂相关的物理机制。近期波士顿大学教授在《Science》期刊发布论文,提出对泡泡破裂机制的最新研究,并指出20年来,人类对泡泡的错误物理知识。
学界旧观点:“重力”让泡泡破裂
泡泡的物理特性取决于流体的黏滞度(viscous)。以水为例,水的黏滞度低,泡泡约百万分之一秒就会破裂;但如果是黏滞度大的流体,泡泡破裂时间可长达1秒,让科学家有时间研究泡泡破裂的物理机制。
20年前,学者曾用硅油(黏滞度为水的1百万倍)做实验。在泡泡的顶端戳洞之后,洞会随着时间扩大,同时泡泡会收缩,沉没到流体上,并在流体表面形成一个暂时的泡泡环。学者发现,洞变大的速度比泡泡沉没的速度还要慢,因此学者判断,“重力”是泡泡破裂的原因。
实验新观点:“表面张力”才是泡泡破裂的原因
波士顿大学的James Bird教授提出质疑。根据计算,泡泡的表面张力比重力大的多,因此Bird团队重做先前学者的实验,只不过他们将流体“倒放”,想要判断重力对泡泡破裂的影响力。
Bird团队选用的流体与当年学者的一样,都是硅油。由于硅油黏滞度大,因此倒放也不会马上流掉,给团队足够的时间实验。
而实验结果与20年前的结果一样,都是洞变大的速度比泡泡隐没的速度慢,但两者的重力方向是相反的。因此实验证实,“表面张力”是泡泡破裂的原因。
在流体中,表面张力会让表面积最小化。实验中,泡泡半球的表面积比底部的面积还要大,但泡泡内部的气压比外界高,让泡泡保持形状;在泡泡上戳洞,内外压力会平衡,表面张力就会让泡泡收缩、破裂。
泡泡破裂的收缩力,在流体上产生暂时性的泡泡环
而泡泡破裂之后,会在液面上留下一个暂时性的环状结构。直观上,表面张力会抑制泡泡环的产生,让破裂后的泡泡完全贴合流体表面。过去科学界的解释是,重力会克服表面张力,让泡泡环产生。
Bird认为泡泡环产生的原因是“收缩”。泡泡底部的厚度较高,而泡泡破裂时,收缩的力道会抑制表面张力,产生暂时性的泡泡环。
虽然泡泡不起眼,但它们影响着自然现象、人体医学、工业制程等等,是科学界关注的研究主题之一。Bird团队的研究,指出了人类过去20年来的错误,也提供学界新洞见,或许产业界等相关应用会因此改变。
参考资料
《Science》、《Inside Science》、《Eurek Alert》