馮衛(wèi)東

氣泡的破裂似乎是一個簡單的、平淡無奇的事件，然而，氣泡破裂的背后卻隱藏著一個精美而復雜的物理學過程。

氣泡不是簡簡單單地就化為烏有了，一個大氣泡會消散于一串小氣泡中。這一發(fā)現(xiàn)可稱得上是“爆破”科學領(lǐng)域所取得的一個進步。

· 靈感來自偶然 ·

哈佛大學工程與應用科學系的畢業(yè)生詹姆斯·伯德及其同事在偶然的情況下發(fā)現(xiàn)了這一普遍規(guī)律。他們說，洗碗池中的泡沫和海洋中的泡沫破裂的方式其實是完全一樣的。

一次實驗室會議激發(fā)了伯德和他的伙伴研究氣泡如何破裂的靈感。當時他們正在研究在不同的表面?zhèn)鞑馀莸姆椒?，他們注意到了生成的這些小氣泡串，于是決定一探究竟。

“自此之后，只要是下雨天，無論任何時候，我都要跑到水坑周圍去觀察氣泡的破滅。”伯德說，“當我在大海中游泳時，我也要對著海水表面的氣泡盯一會兒，看看能否觀察到同樣的效果。我很快意識到，這種現(xiàn)象無處不在?！?/p>

· 氣泡破滅兩部曲 ·

為了使表面積最小化，一個泡沫在接觸到固體或液體界面時會接近于半球形。當這些半球形氣泡爆裂時，通過兩個步驟創(chuàng)建出一串小氣泡。由此產(chǎn)生的小氣泡雖早已司空見慣，但這些小氣泡串到底是怎樣產(chǎn)生的卻從未有文獻報道過。

伯德認為，氣泡的曲面特性在此過程中起著關(guān)鍵的作用，因為這種形狀會導致氣泡內(nèi)部壓力高于外部。一旦氣泡打破平衡（如爆裂），表面張力就會產(chǎn)生一個向內(nèi)的合力。第一步，氣泡收縮時，作用在氣泡上的力會引起泡膜罩住自己，因此在圓環(huán)面內(nèi)陷出一個空氣氣囊。第二步，表面張力將這個氣囊破裂成一串更小的氣泡，這就像是淋浴頭中的細小水流會因表面張力而成為一個個的水滴。

不過，這種級聯(lián)效應是短暫的，在迄今為止的實驗中發(fā)生次數(shù)不超過兩次。最小的氣泡不再形成球形帽并重新融入液體，這就是級聯(lián)的結(jié)束。

· 過程精美而復雜 ·

由于爆裂過程發(fā)生得太快，以至于用肉眼根本無法看到。研究小組利用高速攝影機拍攝了氣泡的破裂過程?；谟^測到的視頻，他們構(gòu)建了一個數(shù)學模型來測試和復制他們的實驗假設。

氣泡破裂背后的物理學過程似乎完全不受氣泡材料的影響。研究人員驚奇地發(fā)現(xiàn)，在像油這樣的粘性液體中仍能觀察到小氣泡串效應，伯德希望繼續(xù)在熔融玻璃、巖漿和泥漿等更多特異性材料中研究類似的破裂效應。

雖然了解氣泡如何破滅或許在近期無法提供任何實際應用，但研究人員期望通過了解如何從較大的氣泡中創(chuàng)建出小氣泡，未來某一天可幫助人類了解各個領(lǐng)域。普林斯頓大學機械和宇航工程教授霍華德·斯通說：“我們認為，這項研究的重點之一是大氣泡在氣霧形成中的作用?！?/p>

眾所周知，當小氣泡在液體表面破裂時，會向上噴射小液滴。這種效應在碳酸飲料中很容易觀察和感覺到。以氣泡作介導的氣霧劑也與健康和氣候方面的應用相關(guān)。這些液滴可將海洋等大片水域中的諸如可溶性氣體或鹽等任何傳導性材料傳遞到空中。

· 在家中就可一試 ·

“許許多多的尖端科學成果必須利用專門的設備或儀器才能觀察到。我之所以熱愛此項研究，是因為任何人在他們的家里就能觀察到整體效果，”伯德總結(jié)道，“這雖然是一個相對簡單的效果，但你最終可以觀察到美麗的圖案，得到具有普遍意義的結(jié)論。”

尖端科學通常不是隨便什么人在家里就能完成的。但是，只要你準備一些肥皂水、一塊玻璃和一根稻草，就可以迅速復現(xiàn)出這個實驗：你只要將稻草的一頭浸入水中，使其沾上肥皂水，然后將其放置在玻璃上，同時吹稻草的另一端，在玻璃上創(chuàng)建出一個約2厘米至3厘米大的半球形泡沫即可。

然后，你只須靜靜地等待泡沫破裂。如果你等得不耐煩了，也可以用手把它弄破。圍著泡沫邊緣仔細觀察，你就能看到那串美麗的小氣泡。endprint