大學生用光學干涉技術,解答了物理界的百年難題:為什麼管子裡的氣泡會塞住?

有個物理難題困擾了物理學家 100 年,近期總算找到了解答,但找到解答的人,不是霍金、費曼這種超大人物,而是一個大學生。這個百年難題是這樣的:

為什麼管子裡的氣泡會塞住?

這個問題的答案是什麼?那個大學生是怎麼找到答案的?

理論上氣泡會往上浮,為什麼會塞在管子裡?

在寬廣的水域中,水裡的氣泡會往上浮。它的原理很簡單:因為氣泡的密度比水還低,浮力大於氣泡本身的重量,因此它會往上浮。然而在狹窄的管子中,氣泡卻會堵塞,不會往上浮。既然氣泡的密度比水低,理論上浮力會把它往上推,如果會卡住,就代表它遭遇阻力。

早在一個世紀前,科學家就發現這個現象,卻無法解釋,因為他們一直找不到阻力。

1960 年代,有個名叫 Bretherton 的科學家,根據氣泡的形狀建立公式,試圖解釋氣泡塞住管子的現象。此外,其他科學家假設,氣泡塞住管子的原因是氣泡和管壁間的薄膜。但他們都無法完整解釋氣泡塞住的原因。

大學生用光學干涉技術,精準量測氣泡塞住的因子:薄膜

直到近期,這個謎團才被一名就讀 EPFL(洛桑聯邦理工學院)的大學生解開。該學生名為 Wassim Dhaouadi,他與軟性介面工程力學實驗室(Engineering Mechanics of Soft Interfaces laboratory,EMSI)的負責人 John Kolinski,一起使用光學干涉的技術,精準量測了泡泡與管壁之間的薄膜厚度,大約 1 奈米。

此外,Dhaouadi 也發現,管內的泡泡並沒有堵住,而是以一個肉眼看不到的速度緩慢移動,打破先前科學家的認知。Dhaouadi 解釋,由於氣泡與管壁間的薄膜厚度很薄,因此形成強大阻力,讓氣泡以肉眼看不到的速度移動。

該研究刊登在《PHYSICAL REVIEW FLUIDS》期刊上。

論文 傳送門

Dhaouadi 的實驗讓物理界的百年難題得到解答。護理師都知道,為病患注射前要先把針筒的氣泡擠掉,避免將氣泡注入病患血管內,導致微血管堵塞;而 Dhaouadi 的實驗為這個現象提供解答,對動物血流、植物水流等生物流體力學有極大貢獻。

Dhaouadi 的實驗也有助於奈米尺度的流體力學研究。隨著機械微型化,奈米尺度的液流將是未來機械的重要課題,Dhaouadi 的觀察對未來技術的發展提供基礎。

參考資料來源:
1.《PHYSICAL REVIEW FLUIDS》:〈Bretherton’s buoyant bubble
2.《PHYSORG》:〈Student solves a 100-year-old physics enigma
3.《LIVE SCIENCE》:〈Student Solves a Decades-Old Physics Mystery
(本文提供合作夥伴轉載。首圖來源:pxfuel CC Licensed)

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