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吹泡泡科学指导手册

放大字体  缩小字体 2023-03-19 06:25:20     浏览次数:25

五颜六色的肥皂泡在空中飞舞,很可能是每个人都有过的童年记忆。

(图片来源:Veer图库)

其实,气泡的产生不仅是日常生活中非常普遍的现象,还有很多工业领域都涉及到气泡的产生和消除,而且处理这些小小的气泡,还可能是工业中的重要环节。这也让科学家们对气泡有着孩童一样的兴致。

今天这篇文章就来探秘气泡,同时指导你科学吹泡泡!

肥皂泡的微距摄影,作者Pashminu(图片来源:维基百科)

爱你恨你不如研究你

产生气泡是我们司空见惯的自然现象,但其实气泡是影响工业制品质量的重要因素。

例如在对金属表面进行电镀处理时,随着过程的进行,在镀层表面附近往往会产生大量气泡,因此需要在配方中加入一定的消泡剂,从而避免镀层中出现气孔缺陷。与之类似的是金属和玻璃的熔炼过程,我们同样希望能够通过抑制气泡,尽量减少金属铸件或者玻璃制品中出现气孔影响质量。

铸件中的气孔缺陷,作者:Orion Lawlor(图片来源:维基百科)

除了对工业中某个环节的影响,自然界中的气泡有可能还会给人“找麻烦”。

我们经常能够观察到大量泡沫漂浮在湖泊这样流动性较差的自然水体的水面上。这些泡沫中含有丰富的表面活性物质,因此不容易破碎。它们漂浮在水面上会对水中漂浮着的悬浊物以及微生物等产生强烈吸附作用。

这些泡沫可不像表面看起来那么无害。如果这片泡沫正巧出现在被污染的水体之上,这些泡沫在破碎时,会向周围释放大量的气溶胶,从而造成湖泊周边也被污染的后果。因此水体排污处理过程中,往往最先进行的就是打捞表面的浮沫。

美国南加州的一条污染河流,大量白色泡沫清晰可见(图片来源:维基百科)

泡沫很多时候是我们的麻烦,但很多时候又可能是我们的朋友。

和消泡剂相反,发泡剂是故意让大量气体产生的化学药品。例如在某些塑料的制作过程中,发泡剂会让塑料制品中产生大量尺寸均匀的孔洞,这些孔洞可以极大降低成品的密度,从而在减少成本的同时,提供更加轻便的使用体验。此外,大量的孔隙还有阻隔热量传播的效果,因此房屋外墙的隔热层就经常使用发泡塑料材质;面点制作过程中的发酵以及发泡奶油等都是气泡在生活中的常见应用。

正因为气泡这么常见的同时,又对生产和生活有着不小的影响,科学家们也从数百年前就开始研究气泡了。数学家们会利用气泡来探寻空间中物体的体积和表面积之间的相关规律,比如相同表面积下的最大建筑空间;化学家们会研究气泡相关的化学性质,比如研制新的表面活性剂成分;而物理学家们则会尝试描述肥皂泡的行为,例如它们的蒸发和破损等等。

应用了气泡设计元素的“水立方”,作者:Charlie fong(图片来源:维基百科)

泡泡新发现,人类有望吹出“完美泡泡”?

近日,法国的科学家团队就发现了肥皂泡的一些新奇表现。甚至制作出了你想要的那种又大又不容易破裂的“完美泡泡”。

在讨论怎么制造出稳定的泡泡之前,我们先来看看这个问题:肥皂泡为什么最终都会破碎?

正常状态下,肥皂泡产生后都难逃破裂的命运。这是因为肥皂泡本质上是液体形成的薄膜,它在形成后自然要蒸发,而随着蒸发的进行,膜表面的物质越来越少,终归会有一刻,原本完整的肥皂泡上出现了某些薄弱的点,从而造成整个肥皂泡的破裂。

在之前描述肥皂泡行为的相关物理模型中,科学家们基本都假设肥皂泡的温度和周围环境温度一致。但法国科学家的这一研究发现,这个假设并不准确。

他们发现,肥皂泡在蒸发时,表面温度与周围环境并非保持一致,而是会有极大下降,而且温度差还会随着肥皂泡溶液的成分变动而有所不同。在比较极端的情况下,肥皂泡表面的温度甚至要比周围环境低8℃。

那么我们掌握了这样一个关键的信息之后,是不是就可以轻轻松松制造出更难破裂的气泡了呢?实际上,法国科学家的研究成果远远谈不上是建立了肥皂泡稳定性的数学模型,相反,他们的一些实验结论让这个模型变得更加复杂了。

简单说来,法国科学家们的研究还告诉了我们,想要预测某种成分的肥皂泡何时破裂是一个相当有挑战性的问题,除了需要考虑不同温度下的蒸发,还有重力这一影响因素。毕竟,重力是造成肥皂泡膜中的液体逐渐向下方运动,从而使膜上方变薄从而破裂的主要原因。

在零下7℃中冻结的肥皂泡,作者:Larry-pilot,(图片来源:维基百科)

“完美泡泡”肥皂液配方曝光

很多人可能有过自己尝试调配肥皂泡溶液的经历,但实际一试就知道,想要让肥皂泡个头大、数量多而且寿命长,其实并不是一件容易的事情。

假如肥皂泡溶液只是简单地用了肥皂水或者洗洁精水,虽然确实会有非常丰富的泡沫,但却很难让肥皂泡变大,而且泡泡还会很快就破裂。所以,售卖肥皂泡玩具的小贩们还真是有些核心竞争力,他们秘而不宣的肥皂泡液配方,其实大有玄机。

小朋友吹肥皂泡(图片来源:维基百科)

虽然科学家们很难建立起肥皂泡稳定性的数学模型,不过,主导本次实验的法国科学家们也为我们准备了一份他们开发的肥皂泡液配方。利用这一配方,肥皂泡不仅能够轻易吹到直径5厘米以上大小,还能够保持1小时左右!

这份配方包含40毫升洗洁精、100毫升甘油、1克瓜尔胶以及1升水。家里有这些材料的“小朋友”,不妨试试这份来自顶级物理期刊的肥皂泡液配方吧!

参考文献:

1. The physics behind building an enduring soap bubble

https://arstechnica.com/science/2023/01/the-physics-behind-building-an-enduring-soap-bubble/

2. Measurement of the temperature decrease in evaporating soap films

https://arxiv.org/pdf/2212.07104.pdf

3. 泡沫洗手液为什么一按就能出泡沫?

https://k.sina.com.cn/article_5104880035_1304649a3019018m71.html

4. 拿铁的奶泡持久度,奶油发泡持久性与巩固性原理和温度有关

https://m.gafei.com/views-130207

5. Bubbles Have an Unexpected Chill

https://physics.aps.org/articles/v15/s173

出品:科普中国

作者:郭菲(烟台大学)

监制:中国科普博览

编辑:郭雅欣

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