在粘性液體表面，形成的氣泡是如何破裂的？這個(gè)問(wèn)題看似簡(jiǎn)單，但在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我們擁有的答案都是錯(cuò)誤的。直到本周，發(fā)表于《科學(xué)》雜志的一項(xiàng)研究在將液體倒過(guò)來(lái)之后，顛覆了此前的認(rèn)知：造成粘性氣泡破裂的不是重力，而是表面張力。

要理解這個(gè)問(wèn)題，讓我們首先來(lái)看看，液體中氣泡從誕生到破裂的全過(guò)程。當(dāng)液體中的氣泡上升到液體表面，氣泡首先形成一個(gè)薄膜穹頂。這時(shí)，氣泡內(nèi)的氣體為氣泡提供了支撐。不過(guò)，用不了多久，氣泡最終還是破裂了。

對(duì)于這個(gè)現(xiàn)象，低粘度液體與高粘度液體有著全然不同的表現(xiàn)。在純水等低粘度的液體中，氣泡在幾毫秒內(nèi)就會(huì)迅速破裂。對(duì)于這類液體中的氣泡破裂，科學(xué)家早已有了清晰的認(rèn)識(shí)：表面張力和慣性控制了該過(guò)程。

這個(gè)結(jié)論對(duì)于高粘度液體同樣成立嗎？在這類粘性液體中，氣泡破裂的速度要慢得多，破裂過(guò)程可能需要1秒，并且破裂的方式也與低粘度液體不同：它們會(huì)自行向內(nèi)坍塌，從而造成結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，直觀表現(xiàn)就是氣泡周圍出現(xiàn)徑向的褶皺。

科學(xué)家研究了半天，終于搞懂了......泡泡為啥會(huì)破裂

粘性氣泡緩慢的破裂速度，也給了研究人員充足的時(shí)間來(lái)觀察泡泡坍塌背后的物理機(jī)制。在20年前，就有研究仔細(xì)觀察、分析了這一問(wèn)題。當(dāng)時(shí)的研究發(fā)現(xiàn)，在粘性液體的表面，在氣泡上表面戳出一個(gè)洞時(shí)，這個(gè)洞會(huì)逐漸變大。在這個(gè)過(guò)程中，氣泡下沉、收縮，直到形成平坦的圓盤狀，而孔洞就位于圓盤中央。因此，科學(xué)家此前根據(jù)上述現(xiàn)象直觀地推測(cè)：由于洞生長(zhǎng)的速度不及落下的速度，這類氣泡的坍塌是由重力驅(qū)動(dòng)的。

不過(guò)，波士頓大學(xué)的工程師James Bird并不認(rèn)同這個(gè)觀點(diǎn)。為什么重力只在粘性氣泡的坍塌中起作用？在他看來(lái)，這個(gè)猜想并不合理，為此他決定重做原始實(shí)驗(yàn)。為了研究重力在其中的作用，他在原實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加了一項(xiàng)：觀察上下位置顛倒的粘性氣泡。

伯德與合作者使用的粘性液體與原實(shí)驗(yàn)相同：粘性相當(dāng)于純水100萬(wàn)倍的硅油。如此大的粘性使得少量硅油即使上下顛倒，也不會(huì)流出。

這時(shí)，他們?cè)谶@些顛倒過(guò)來(lái)的硅油表面戳出氣泡。他們發(fā)現(xiàn)，這時(shí)氣泡坍塌的方式與此前正常的情況下完全一致：先是頂部的洞緩慢張開，而氣泡其余部分“下落”，相對(duì)快速地變成平坦的圓盤狀。但不要忘了，這時(shí)氣泡“落”回粘性液體時(shí)，與重力的方向恰好相反。也就是說(shuō)，此前重力起主導(dǎo)作用的觀點(diǎn)并不成立。

這項(xiàng)研究的共同作者，波士頓大學(xué)的Alexandros Oratis表示：“（根據(jù)當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)）猜想重力導(dǎo)致氣泡坍塌是有道理的，但當(dāng)你計(jì)算薄膜上的作用力時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)其表面張力遠(yuǎn)大于重力。因此，我們決定上下顛倒重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而確定重力真正的作用。”

表面張力的作用是使表面積最小化。當(dāng)氣泡呈彎曲的半球形時(shí)，其表面積相比于圓盤狀時(shí)更大。在氣泡內(nèi)的壓力大于氣泡外時(shí)，表面張力起不到作用。但孔洞一旦形成，內(nèi)外壓力一致，就沒(méi)有作用力可以維系氣泡的曲率了。這時(shí)表面張力就會(huì)使表面積最小化，使得氣泡不斷收縮，直到變得平坦。

不過(guò)，表面張力對(duì)氣泡不同位置的影響不盡相同。氣泡頂部相比于接近氣泡底部的位置更薄，因此頂部坍塌速率高于側(cè)面的壁，從而讓人誤以為是重力起了作用。

當(dāng)粘性氣泡破裂時(shí)，氣泡底部周圍會(huì)出現(xiàn)徑向的褶皺。這些徑向褶皺是怎么回事呢？此前的研究對(duì)這些褶皺的解釋是，導(dǎo)致氣泡坍塌的重力足以克服表面張力，從而形成褶皺。但既然這個(gè)理論被推翻了，按理來(lái)說(shuō)，表面張力會(huì)阻止這類褶皺紋路的出現(xiàn)，讓表面變得平坦。那么，這些褶皺又是怎么形成的？

對(duì)于這個(gè)悖論，伯德給出的解釋是：在氣泡頂部，薄膜更薄，這里的表面張力可以阻止褶皺形成。但在更厚的氣泡底部，氣泡坍塌造成的收縮足以克服表面張力。

看到這里你可能要問(wèn)，這項(xiàng)研究有實(shí)際意義嗎？其實(shí)，對(duì)泡泡感興趣的不僅是孩子，還有火山學(xué)家、胸腔科醫(yī)生、玻璃工人等等科學(xué)、工業(yè)領(lǐng)域的工作者。氣泡形成與破裂的物理機(jī)制，對(duì)于理解自然界與工業(yè)界的眾多現(xiàn)象有著重要意義。

原始論文：

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

參考鏈接：

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

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