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泡泡生泡泡!

Scimage
・2011/02/28 ・433字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 421 ・四年級

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以慢速攝影觀看水泡破滅

海邊的海浪或是下雨的水面可以看到很多小泡泡,這些小泡泡其實也有故事可以說…

以前就知道泡泡的一個有趣的現象,就是當水面泡泡破滅的同時,會發生像水滴滴入水的類似反應–會有小水珠在泡泡破滅的中心上向彈射,有人就推測當這樣彈出的小水滴如果夠小時,就可以變成大氣中浮游的粒子,當大氣中有很多這樣的粒子之後,就會開始影響大氣的反射,造成氣候的效應等。

這影片以慢動作呈現出水面泡泡破滅的過程,可看見其實也有很多次級的小泡泡產生。在影片一開始的大泡泡破了以後,因為塌下的水膜會包住空氣,然後會產生一圈小泡泡,而這些小泡泡破滅的同時,就會向上射出更小的水滴。研究人員推測大泡泡可以產生小泡泡,然後小泡泡射出小水滴,這樣過程可以大大放大泡泡破滅產生水滴的過程。

這樣的過程雖然不確定是否重要,不過或許可以讓泡泡跟大氣中浮游水滴濃度的推論多增加一點可信度。

本文原發表於科學影像Scimage

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好奇心讓你登上《科學》封面!泡泡為什麼會破,把它放顛倒再戳破就知道了
linjunJR_96
・2020/09/21 ・1895字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

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圖/OLIVER MCRAE/BOSTON UNIVERSITY

在火山口的岩漿中、在玻璃工廠的熔爐中,也在居家裝潢的油漆桶中。液體表面的泡泡隨處可見,如果以上都沒見過(編按:到底有多少人會親眼看過火山岩漿啦!)那總該玩過吹泡泡遊戲吧,那你有想過為什麼泡泡會破掉嗎?

泡泡會塌陷過去以為是重力,最新研究發現是表面張力

過去科學家認為,泡泡會塌陷主要因素是「重力」,但最新一期《科學》(Science)期刊上有篇研究指出,我們多年來對這些現象的解釋其實並不正確,其實「表面張力」才是主要原因。

當水面的泡泡破裂,泡泡薄膜的形狀還來不及有任何改變,便已經被兇猛的表面張力拉回水面下,整個過程只需幾毫秒。不過濃稠(黏滯係數高)的泡泡可不一樣,光是破裂可以花費整整 1 秒鐘,過程中還出現奇特的皺褶。

黏性泡泡破裂過程。圖/OLIVER MCRAE/BOSTON UNIVERSITY

上方動畫中濃稠泡泡是用矽油吹製,其黏滯係數是水的一百萬倍。當泡泡上方被刺破,整顆泡泡像是洩了氣一樣向下塌陷,而破洞的大小卻幾乎維持不變。這項觀察讓過去的物理學家認為,主宰塌陷過程的是向下的地球重力。

把泡泡倒過來,發現塌陷速度沒有比正著放還慢

不過這個結論讓波士頓大學的工程學家詹姆士柏德(James Bird)十分不滿意。為什麼重力只對黏稠的液體才算重要呢?然而用理論打嘴砲誰都會,要在實驗上做出結果來才算數。為此,他設計出了絕妙的驗證方法:把重力倒過來。

矽油的黏稠度夠高,讓實驗團隊能夠把整個容器倒過來,並進行同樣的戳泡泡實驗。如果泡泡塌陷真的是因為被重力向下拉,那麼將重力方向倒過來應該會讓泡泡塌陷的較慢。

可是錄影結果和原本泡泡破裂的過程十分相似:頂端的破洞慢慢打開,泡泡快速向液體表面塌陷。接著,實驗團隊還讓裝置轉了90度,讓重力向泡泡的側邊拉。不論重力指向哪個方向,影像分析的結果都沒有顯著的差異,這表示主宰塌陷過程的並非重力。

A. T. Oratis et al., Science 369, 685 (2020)

原版的重力向下實驗在 20 幾年前就有人做過。「那時候會認為重力是主因其實也情有可原,因為泡泡薄膜被戳破時看起來就像是在下落。」論文的共同作者亞歷山卓奧拉蒂斯(Alexandros Oratis)說道。不過進一步的計算顯示,對一顆直徑 1 公分的泡泡來說,作用在薄膜上的表面張力比重力大了幾十倍,而他們的實驗也證實了這個結果。

泡泡塌陷的皺褶怎麼來的?其實是諸多力量較勁結果

表面張力顧名思義,就是隨時想要讓液體表面繃緊;也就是說,讓液體表面盡量保持在平整的狀態。當泡泡在液體表面形成,表面張力想要將凸起的泡泡薄膜向下拉,這時泡泡內外的氣壓差便負責平衡這股向下的力。如果我們戳破泡泡,造成內外的氣壓相同,泡泡薄膜便向下塌陷。

不過如果表面張力這麼強大,那麼泡泡塌陷的後期為什麼會出現這些皺褶呢?

當壓縮力夠大,凌駕想把液面拉平的表面張力,就會出現表面皺褶。圖/A. T. Oratis et al., Science 369, 685 (2020)

比起完好的半球狀泡泡,破掉的扁塌泡泡表面積較小。當表面張力快速的將破掉的薄膜往下拉,接近周圍的薄膜受到強烈的壓縮力。如果壓縮力夠大,凌駕了想要把液面拉平的表面張力,便會出現表面的皺褶。小小的泡泡能展現出這麼美麗的物理現象,原來是背後諸多力量相互較勁的綜合結果。

OLIVER MCRAE/BOSTON UNIVERSITY

這份研究用「顛覆性」的實驗方法,打破了舊有的認知,登上了《科學》期刊的封面。再度顯示科學家最重要的維生工具不是紙筆或試管,而是源源不絕的好奇心與想像力。

參考資料

  • 責任編輯:YP
linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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泡泡堆的物理
科學人_96
・2013/09/18 ・1282字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 570 ・九年級

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文/麥森(John Matson)
譯/洪艾彊

sci-am-bubblemath泡泡堆的變化,裡面盡是科學。

大多數的人都曾駐足欣賞過肥皂泡的美麗。這顆隨著視角幻變五彩色澤、卻又容易破滅的小球,頂多撐個幾分鐘,就會在瞬間消失無蹤。不管是愛吹肥皂泡的小孩,還是享受躺在浴缸裡沉思的大人,都是它的粉絲。

幾百年來的物理學家和數學家也不例外,他們做過不少努力來試圖了解並預測泡泡的基本性質。成團的泡泡在數學上更加吸引人,原因是它們之間不只存在簡單的幾何規則(例如相鄰的泡泡表面夾角只允許若干特別的角度),並且為了使泡泡表面的總面積達到最小,不同的泡泡會不斷移動和改變大小來配合彼此,表現得有如一台合作無間的簡易電腦。

最近提出來描述泡泡堆特性的電腦模型,將有助於科學家善用泡泡的物理性質,來發展更有效的滅火器、腳踏車頭盔和其他相關產品。

這個由美國加州大學柏克萊分校兩位數學家設計的模型,把泡泡堆的變化分解成三個不同階段:首先,泡泡表面的表面張力和空氣流動會促使泡泡堆重新排列,以尋找穩定的巨觀結構;接著重力效應不斷把肥皂液往下拉,使得這些泡泡的液體薄膜(lamellae)厚度越來越小;最後當部份泡泡破裂時,整體結構變得不再穩定,泡泡堆又重新回到第一階段,如此不斷往復。這篇論文發表在5月10日的《科學》

這三個階段有各自不同的空間和時間尺度。作者之一的數學教授賽西恩(James Sethian)表示:「例如泡泡液體薄膜在微觀上變薄的速度就非常慢,有時可達數百秒;而泡泡破裂的速度則高達每秒數百公尺。」電腦模擬泡泡堆的動態變化時,有一項需要克服的主要技術:如何在忽略那些會拖慢模擬速度的枝節時,還能同時正確捕捉到重要的微觀過程。

賽西恩和合作者賽耶(Robert Saye)提出的解決辦法是,針對不同的階段採取不同的手段。在牽涉到泡泡破裂和液體薄膜厚度變薄的第三階段,他們放慢模擬速度,並且小心微觀細節;反之,在緩慢的大尺度結構變動時,則睜一眼閉一眼地加快速度。愛爾蘭都柏林三一學院的物理學家維埃爾(Denis Weaire)說:「只要把不同階段的銜接過程處理好,各個階段是可以分開來模擬的。」每一個階段的模擬結果可以利用程式,逐次輸入到下個階段,在第三階段的結果,再送回原始階段重新模擬──巨觀的泡泡堆結構變動決定了微觀的泡泡表面液體如何流失,後者再導致泡泡液體薄膜的瞬間破裂,並因此使泡泡堆失去平衡,再度變動起來。維埃爾表示,把這些過程分開模擬,「能得到以前的人想像不到的妙處。」

維埃爾提醒我們,相較於靜態的泡泡堆,例如啤酒上頭好像「久久不散」的啤酒泡,過去已經累積不少文獻。他和合作者在10多年前就出版過《泡泡堆的物理》(The Physics of Foams)一書,並敦促同事致力於探討泡泡堆的動態變化,不過維埃爾表示,這一方面的研究還是大致停滯不前。雖然目前提出來的新模型還有些受限,例如只適用於乾泡泡堆,也就是液體含量不高的情形,但他樂觀相信這是「朝正確方向邁進的第一步」。

 

SA原文:Physics Gets Frothy as Mathematicians Dissect Mister Bubbl [May 9,2013]

研究文獻:Saye, R. I., & Sethian, J. A. (2013). Multiscale Modeling of Membrane Rearrangement, Drainage, and Rupture in Evolving Foams. Science, 340(6133), 720-724.

刊載於《科學人》2013年第138期08月號

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有沒有不破的泡沫
科學松鼠會_96
・2013/01/09 ・2075字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 481 ・五年級

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吹肥皂泡大概是多數小朋友喜歡的活動。本來是無色的液體,吹成泡沫就變得五顏六色。有的很快就破了,有的卻可以「存活」很長時間,甚至掉到了頭上都不會立刻破開。這,是為什麼呢?有沒有辦法讓泡沫永遠不破呢?

水之所以形成泡泡,其中的「表面活性劑」居功至偉。表面活性劑是一類結構特別的分子,一頭喜歡水(稱為「親水端」),一頭喜歡空氣(叫做「疏水端」)。當我們吹出一個泡泡,構成泡泡的水膜就形成了兩個表面,外面與大氣相連,而裡面則與泡泡內的空氣相接。水中的表面活性劑會很快地跑到空氣和水的表 面上,親水端呆在水中,疏水端伸到空氣裡。在兩個表面上各自堆積了一層表面活性劑,就像兩層磚牆一樣。「磚牆」的中間,就是一層水。一個泡泡,就是由表面 活性劑組成的雙層「磚牆」夾著一層水組成。

跟普通磚牆不一樣的是,其中的水是流動的。所謂水往低處走,水膜中的水也不例外。流動的結果,泡泡頂端的水越來越少,下面的水越來越多,水膜就變得 上面薄下面厚,就像物理實驗的棱鏡一樣。而且,因為那兩層「磚牆」不堅固,很容易受到周圍空氣的擾動而改變厚度。當光線穿過這樣的一個「水棱鏡」,就被分解成各色的光,還會發生光學上的「干涉」現象,於是我們就看到了五顏六色的泡泡。

隨著泡泡上方水膜中的水逐漸流走,水膜越來越薄。這時候如果遇到一點擾動,水膜就破開了,泡泡也就「爆炸」了。

所以,要想泡泡「存活」得更久,一種方式就是讓膜中的水流得慢一些。水流的速度跟水的粘度密切相關。越粘的液體,就會流得越慢。增加粘度的物質叫做「增稠劑」。所以,在肥皂水中加入增稠劑之後,吹出的泡泡就能存活得更久

另一種則是讓兩層「磚牆」更加堅固,不容易破裂。一般的表面活性劑是小分子,到了水和空氣的表面也是「有組織,無紀律」,一盤散沙,所以容易破裂。如果是一些大分子,比如蛋白質也具有親水和疏水的部位,也可以跑到表面上。到了表面之後,不同分子之間還會「手拉手、肩並肩」,形成堅固地城牆。受到 外界的擾動,也可以互相支援,從而不容易破裂。

不過,蛋白質分子個頭太大,從水中跑到表面上的速度比較慢。如果用蛋白質水來吹泡泡的話,還等不及蛋白質分子們跑到表面上形成「分子牆」,泡泡就已經破了。

雖然這樣的蛋白質水溶液用來吹泡泡不是個好主意,它們在飲料中卻可以大顯身手。有一種咖啡叫「卡布其諾」,表面上有一層泡沫。這層泡沫需要在相當長的時間內——至少在喝完的這段時間裡——保持著潔白細膩的外觀,所以表面活性劑產生的那種大而短命的泡沫就派不上用場。實際上用的是牛奶,其中的牛奶蛋白 具有很好的表面活性。當高溫的水蒸氣通入牛奶中,就產生了細密的泡泡。牛奶蛋白的分子在高溫下伸展開來,到了空氣和水的表面上,更容易互相連接起來,形成穩定的「城牆」,使得泡泡很難破裂。

比卡布其諾的泡沫更加穩定的是打發奶油。打發奶油是用奶油形成的泡沫。只是因為泡泡太細小,憑肉眼難以看出它跟通常的泡沫有相似之處。除了其中的蛋 白質可以形成穩定的「磚牆」外,奶油中的水含量很低,液體的粘度很大。被打發起來之後,「牆」中的水流動極為緩慢,過了很長的時間水膜還是那麼厚。此外, 奶油中有大量的脂肪顆粒,在「打發」過程中,這些顆粒接觸的地方互相融合 ,形成了像糖葫蘆那樣的連接狀態;而且一個接一個,形成了「糖葫蘆網」,把產生的泡泡固定在其中,就更增加了不同的泡泡接觸融合的難度。一方面是泡泡被隔開難以變薄,另一方面是水膜兩側的「牆」非常穩固,所以奶油的泡沫比起卡布其諾的泡沫來,簡直可以用「長壽」來形容。

跟打發奶油相比,冰淇淋更是登峰造極。除了奶油中的泡泡難以破裂的那些因素,冰淇淋在攪拌降溫的過程中還會形成大量的小冰粒。這些冰渣也有助於把泡 泡和脂肪可以「支撐起來」,不許它們互相靠近,所以也就可以存活下去。不過,冰淇淋的這種「長壽」狀態只能在冷凍條件下存在。一旦溫度升高,冰粒融化,形成「糖葫蘆網」的脂肪顆粒也會徹底融合,就無法再凍回去了。明白了這些過程,也就不難理解為什麼冰淇淋一旦化了,再凍上之後口感也完全不同。

所有液體的泡沫都注定要破滅,除非它們在破滅之前被「固化」下來。在食物中,最經典的例子是蛋糕。蛋糕的「蜂窩」來自於雞蛋白形成的泡沫。這樣的泡沫被混合到蛋糕的其他原料中,然後送入烤爐。泡沫水膜中的液體往下流,周圍的溫度迅速升高。雞蛋白有個很特別的地方,是極為怕熱——達到六十多度,它們就頂不住「化作了山脈」。在烤蛋糕的時候,蛋白泡沫中的水還來不及流下,就已經隨著蛋白變成了固體,永遠失去了流動的能力。

有很多其他的蛋白質也可以產生很好的泡沫。但常見的食用蛋白中,沒有哪種可以像雞蛋白(或者鴨蛋鵝蛋等各種鳥蛋的蛋白),在很低的溫度下就會固化。 其他的蛋白產生了很好的泡沫,送進去了烤爐,卻極為頑強——泡泡們都已經四零八落,它們卻還沒有變成固體,也就無法支撐起蛋糕的綿軟結構。所以,那些「無蛋蛋糕」,只能通過加入其他成膠的成分,讓泡沫們在覆滅之前,變成固體而永垂不朽。

轉載自 科學松鼠會,作者:

科學松鼠會_96
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科學松鼠會是中國一個致力於在大眾文化層面傳播科學的非營利機構,成立於2008年4月。松鼠會匯聚了當代最優秀的一批華語青年科學傳播者,旨在「剝開科學的堅果,幫助人們領略科學之美妙」。願景:讓科學流行起來;價值觀:嚴謹有容,獨立客觀