泡泡為什麼會破?波士頓大學將流體「倒放」,揪出科學界 20 年來的錯誤解釋

相信大多數的人有吹過泡泡,以及看過飲料、魚缸的泡沫。泡泡的最終命運是「破掉」,但你們可曾想過:為什麼泡泡會破?

泡泡雖然不起眼,但泡泡的存在會影響人體、產品,攸關著醫療流程、工業製程等等,因此科學界一直有在研究泡泡形成、破裂相關的物理機制。近期波士頓大學教授在《Science》期刊發表論文,提出對泡泡破裂機制的最新研究,並指出 20 年來,人類對泡泡的錯誤物理知識。

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學界舊觀點:「重力」讓泡泡破裂

泡泡的物理特性取決於流體的黏滯度(viscous)。以水為例,水的黏滯度低,泡泡約百萬分之一秒就會破裂;但如果是黏滯度大的流體,泡泡破裂時間可長達 1 秒,讓科學家有時間研究泡泡破裂的物理機制。

20 年前,學者曾用矽油(黏滯度為水的 1 百萬倍)做實驗。在泡泡的頂端戳洞之後,洞會隨著時間擴大,同時泡泡會收縮,沉沒到流體上,並在流體表面形成一個暫時的泡泡環。學者發現,洞變大的速度比泡泡沉沒的速度還要慢,因此學者判斷,「重力」是泡泡破裂的原因。

實驗新觀點:「表面張力」才是泡泡破裂的原因

波士頓大學的 James Bird 教授提出質疑。根據計算,泡泡的表面張力比重力大的多,因此 Bird 團隊重做先前學者的實驗,只不過他們將流體「倒放」,想要判斷重力對泡泡破裂的影響力。

Bird 團隊選用的流體與當年學者的一樣,都是矽油。由於矽油黏滯度大,因此倒放也不會馬上流掉,給團隊足夠的時間實驗。

而實驗結果與 20 年前的結果一樣,都是洞變大的速度比泡泡隱沒的速度慢,但兩者的重力方向是相反的。因此實驗證實,「表面張力」是泡泡破裂的原因。

在流體中,表面張力會讓表面積最小化。實驗中,泡泡半球的表面積比底部的面積還要大,但泡泡內部的氣壓比外界高,讓泡泡保持形狀;在泡泡上戳洞,內外壓力會平衡,表面張力就會讓泡泡收縮、破裂。

泡沫破裂相關機制。圖片來源:《Science》期刊

泡泡破裂的收縮力,在流體上產生暫時性的泡泡環

而泡泡破裂之後,會在液面上留下一個暫時性的環狀結構。直觀上,表面張力會抑制泡泡環的產生,讓破裂後的泡泡完全貼合流體表面。過去科學界的解釋是,重力會克服表面張力,讓泡泡環產生。

Bird 認為泡泡環產生的原因是「收縮」。泡泡底部的厚度較高,而泡泡破裂時,收縮的力道會抑制表面張力,產生暫時性的泡泡環。

雖然泡泡不起眼,但它們影響著自然現象、人體醫學、工業製程等等,是科學界關注的研究主題之一。Bird 團隊的研究,指出了人類過去 20 年來的錯誤,也提供學界新洞見,或許產業界等相關應用會因此改變。

參考資料

Science》、《Inside Science》、《Eurek Alert

(本文提供合作夥伴轉載;首圖來源:PickPik CC Licensed。)

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