在(zai)(zai)粘性液體(ti)表(biao)(biao)面，形成的(de)氣泡(pao)是(shi)(shi)如(ru)何破裂(lie)的(de)？這個問(wen)題(ti)看似簡單，但(dan)在(zai)(zai)很長(chang)一(yi)段時(shi)間內，我們擁有(you)的(de)答案都是(shi)(shi)錯誤的(de)。直到本周，發表(biao)(biao)于《科學(xue)》雜志的(de)一(yi)項研究在(zai)(zai)將液體(ti)倒過來之(zhi)后(hou)，顛覆了此前(qian)的(de)認(ren)知：造成粘性氣泡(pao)破裂(lie)的(de)不是(shi)(shi)重(zhong)力(li)，而是(shi)(shi)表(biao)(biao)面張力(li)。

要(yao)理解這(zhe)個(ge)問(wen)題，讓我們首先(xian)來看看，液體(ti)(ti)中氣(qi)泡(pao)從誕生到(dao)破裂的全過程。當液體(ti)(ti)中的氣(qi)泡(pao)上升到(dao)液體(ti)(ti)表面(mian)，氣(qi)泡(pao)首先(xian)形成一個(ge)薄(bo)膜穹頂。這(zhe)時，氣(qi)泡(pao)內的氣(qi)體(ti)(ti)為氣(qi)泡(pao)提供了(le)(le)支撐(cheng)。不過，用不了(le)(le)多久，氣(qi)泡(pao)最終還是破裂了(le)(le)。

對于(yu)這個現象，低粘度液(ye)體(ti)與(yu)高(gao)粘度液(ye)體(ti)有(you)著全然不同的表(biao)現。在純(chun)水等低粘度的液(ye)體(ti)中，氣(qi)泡在幾(ji)毫秒內就會迅速破裂。對于(yu)這類(lei)液(ye)體(ti)中的氣(qi)泡破裂，科學家早已有(you)了(le)清晰的認識：表(biao)面張力和慣性(xing)控制了(le)該(gai)過(guo)程。

這個(ge)結論對于高粘度液體同樣(yang)成(cheng)立嗎？在這類粘性液體中，氣泡破(po)裂的(de)(de)速度要慢(man)得(de)多，破(po)裂過程(cheng)可能需(xu)要1秒，并且破(po)裂的(de)(de)方(fang)式也與低粘度液體不同：它們會自行向(xiang)內坍(tan)塌，從而造成(cheng)結構(gou)不穩(wen)定，直觀表現就(jiu)是氣泡周圍出現徑向(xiang)的(de)(de)褶皺。

科(ke)學家研究了半天，終于(yu)搞懂(dong)了......泡(pao)泡(pao)為啥會(hui)破裂

粘性氣泡(pao)緩慢的破裂速度，也(ye)給了研(yan)究(jiu)(jiu)人員充足的時間來(lai)觀(guan)察泡(pao)泡(pao)坍塌(ta)背后的物理(li)機制。在(zai)20年前(qian)，就(jiu)有研(yan)究(jiu)(jiu)仔細觀(guan)察、分析了這(zhe)一問題。當時的研(yan)究(jiu)(jiu)發(fa)現，在(zai)粘性液體的表面，在(zai)氣泡(pao)上表面戳出一個洞(dong)(dong)時，這(zhe)個洞(dong)(dong)會逐漸變大。在(zai)這(zhe)個過程中(zhong)，氣泡(pao)下(xia)沉、收(shou)縮(suo)，直到形成平坦的圓盤(pan)狀，而孔洞(dong)(dong)就(jiu)位于圓盤(pan)中(zhong)央。因此，科學家此前(qian)根據上述現象直觀(guan)地推測：由于洞(dong)(dong)生長的速度不及落下(xia)的速度，這(zhe)類氣泡(pao)的坍塌(ta)是由重力驅(qu)動的。

不過(guo)，波士頓大學的(de)工程(cheng)師James Bird并(bing)不認(ren)同這個觀(guan)點(dian)。為什么重力(li)只在(zai)(zai)(zai)粘(zhan)性氣(qi)泡(pao)的(de)坍塌中(zhong)起作(zuo)用？在(zai)(zai)(zai)他(ta)看來，這個猜想并(bing)不合理，為此他(ta)決定重做原(yuan)始實驗。為了研究重力(li)在(zai)(zai)(zai)其中(zhong)的(de)作(zuo)用，他(ta)在(zai)(zai)(zai)原(yuan)實驗的(de)基礎上增(zeng)加了一(yi)項(xiang)：觀(guan)察(cha)上下(xia)位置(zhi)顛倒(dao)的(de)粘(zhan)性氣(qi)泡(pao)。

伯德與合(he)作(zuo)者使(shi)用的粘(zhan)性(xing)液(ye)體與原實驗相同：粘(zhan)性(xing)相當于純(chun)水100萬倍(bei)的硅(gui)油。如此大的粘(zhan)性(xing)使(shi)得少量硅(gui)油即使(shi)上(shang)下顛倒，也不(bu)會流出。

這(zhe)時，他(ta)們在這(zhe)些顛倒過來的(de)(de)(de)硅(gui)油表面戳出氣(qi)泡(pao)。他(ta)們發現，這(zhe)時氣(qi)泡(pao)坍塌(ta)的(de)(de)(de)方式與此前正(zheng)常(chang)的(de)(de)(de)情況下(xia)完全一致：先是頂部(bu)的(de)(de)(de)洞緩(huan)慢張開，而氣(qi)泡(pao)其余部(bu)分“下(xia)落(luo)”，相對快速(su)地變成平坦的(de)(de)(de)圓盤狀。但不要忘(wang)了，這(zhe)時氣(qi)泡(pao)“落(luo)”回粘(zhan)性液體(ti)時，與重力的(de)(de)(de)方向恰好相反(fan)。也就是說，此前重力起主(zhu)導作用(yong)的(de)(de)(de)觀(guan)點并不成立(li)。

這項(xiang)研究的(de)(de)共同作者，波士頓(dun)大學的(de)(de)Alexandros Oratis表示：“（根(gen)據當時的(de)(de)實驗）猜想重(zhong)力(li)導致氣泡坍(tan)塌是(shi)有(you)道理(li)的(de)(de)，但當你(ni)計算薄膜上(shang)的(de)(de)作用力(li)時，你(ni)會發現其(qi)表面(mian)張力(li)遠大于(yu)重(zhong)力(li)。因此，我們(men)決定(ding)上(shang)下顛倒重(zhong)新進行實驗，從而(er)確定(ding)重(zhong)力(li)真正的(de)(de)作用。”

表(biao)面(mian)張(zhang)(zhang)力的(de)作用(yong)是使(shi)(shi)(shi)表(biao)面(mian)積(ji)最小化。當氣泡(pao)(pao)呈(cheng)彎曲的(de)半球形(xing)時(shi)，其表(biao)面(mian)積(ji)相比于圓盤狀(zhuang)時(shi)更大。在氣泡(pao)(pao)內的(de)壓力大于氣泡(pao)(pao)外(wai)時(shi)，表(biao)面(mian)張(zhang)(zhang)力起不(bu)(bu)到作用(yong)。但孔洞一旦形(xing)成，內外(wai)壓力一致，就沒(mei)有作用(yong)力可以維系(xi)氣泡(pao)(pao)的(de)曲率(lv)了。這(zhe)時(shi)表(biao)面(mian)張(zhang)(zhang)力就會使(shi)(shi)(shi)表(biao)面(mian)積(ji)最小化，使(shi)(shi)(shi)得氣泡(pao)(pao)不(bu)(bu)斷收縮，直到變得平坦。

不過，表面張力對氣(qi)(qi)泡(pao)不同(tong)位置的影響(xiang)不盡相同(tong)。氣(qi)(qi)泡(pao)頂部(bu)相比于(yu)接(jie)近(jin)氣(qi)(qi)泡(pao)底(di)部(bu)的位置更薄，因此頂部(bu)坍(tan)塌速率高于(yu)側面的壁，從而讓人誤以為是重力起(qi)了作用。

當(dang)粘性氣(qi)泡(pao)破(po)裂時(shi)，氣(qi)泡(pao)底部(bu)周圍會(hui)出(chu)現(xian)徑向的褶(zhe)皺(zhou)。這些徑向褶(zhe)皺(zhou)是怎么回事呢？此(ci)前的研究對(dui)這些褶(zhe)皺(zhou)的解(jie)釋是，導致(zhi)氣(qi)泡(pao)坍塌的重力足以克服表面張力，從(cong)而形成褶(zhe)皺(zhou)。但既然這個(ge)理(li)論(lun)被推翻(fan)了，按(an)理(li)來說，表面張力會(hui)阻止這類褶(zhe)皺(zhou)紋(wen)路的出(chu)現(xian)，讓(rang)表面變(bian)得平(ping)坦(tan)。那么，這些褶(zhe)皺(zhou)又(you)是怎么形成的？

對于這個悖論(lun)，伯(bo)德給(gei)出(chu)的(de)解釋是(shi)：在(zai)氣泡(pao)頂部(bu)，薄膜更薄，這里的(de)表(biao)(biao)面張(zhang)力可以阻止褶(zhe)皺形成。但在(zai)更厚的(de)氣泡(pao)底部(bu)，氣泡(pao)坍塌造成的(de)收縮足以克服(fu)表(biao)(biao)面張(zhang)力。 

看到這(zhe)里你(ni)可能(neng)要(yao)(yao)問(wen)，這(zhe)項研究有實際意(yi)義嗎？其實，對泡(pao)泡(pao)感興(xing)趣的(de)不僅是孩子，還有火山學家、胸腔科醫生(sheng)、玻璃工人等等科學、工業領域的(de)工作者(zhe)。氣泡(pao)形成與破裂的(de)物理(li)機制，對于理(li)解自(zi)然界與工業界的(de)眾多(duo)現(xian)象(xiang)有著重要(yao)(yao)意(yi)義。

原始(shi)論文：

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

參(can)考鏈接(jie)：

//www.insidescience.org/news/new-theory-says-we%E2%80%99ve-been-wrong-about-how-bubbles-pop

//www.eurekalert.org/pub_releases/2020-08/aaft-stn080320.php