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

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

關於作者

林祉均

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。

網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策