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zhanghaotz金蟲 (小有名氣)
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【趣聞】《自然》：科學(xué)家揭示氣泡破滅的物理學(xué)過程 已有9人參與
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在事物的表面，氣泡的破裂似乎是一個(gè)簡(jiǎn)單的、平淡無奇的事件。在6月10日出版的《自然》雜志上，哈佛工程師報(bào)告說，與此正好相反的是，氣泡破裂的背后其實(shí)隱藏著精美而復(fù)雜的物理學(xué)過程。 氣泡不是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單地就化為烏有了，一個(gè)大氣泡會(huì)消散于一串小氣泡中。這一發(fā)現(xiàn)可稱得上是 “爆破”科學(xué)領(lǐng)域所取得的一個(gè)進(jìn)步。 靈感來自偶然 論文的主要作者、美國(guó)哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)系的畢業(yè)生詹姆斯·伯德及其同事是在偶然的情況下發(fā)現(xiàn)這一普遍規(guī)律的。他們表示，在洗碗池中的泡沫和海洋中的泡沫破裂的方式其實(shí)是完全一樣的。 伯德和文章的另一作者、哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)系前助理研究員洛朗·科爾賓，在一次實(shí)驗(yàn)室午夜會(huì)議期間激發(fā)了研究氣泡如何破裂的靈感。當(dāng)時(shí)他們正在研究在不同的表面?zhèn)鞑馀莸姆椒�，他們倆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(shí)候，我都要跑到水坑周圍去觀察氣泡的破滅。”伯德說，“當(dāng)我在大海中游泳時(shí)，我也要對(duì)著海水表面的氣泡盯會(huì)兒，看看能否觀察到同樣的效果。我很快意識(shí)到，這種現(xiàn)象無處不在�！� 氣泡破滅兩部曲 伯德解釋說，為了使表面積最小化，一個(gè)泡沫在接觸到固體或液體界面時(shí)會(huì)接近于半球形。當(dāng)這些半球形氣泡爆裂時(shí)，通過兩個(gè)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(xiàn)報(bào)道過。 伯德認(rèn)為，氣泡的曲面特性在此過程中起著關(guān)鍵的作用，因?yàn)檫@種形狀會(huì)導(dǎo)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)向內(nèi)的合力。第一步，氣泡收縮時(shí)，作用在氣泡上的力會(huì)引起泡膜罩住自己，因此在圓環(huán)面內(nèi)陷出一個(gè)空氣氣囊。第二步，表面張力將這個(gè)氣囊破裂成一串更小的氣泡，這就像是淋浴頭中的細(xì)小水流會(huì)因表面張力而成為一個(gè)個(gè)的水滴。 不過，這種級(jí)聯(lián)效應(yīng)是短暫的，在迄今為止的實(shí)驗(yàn)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(jí)聯(lián)的結(jié)束。 過程精美而復(fù)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(jī)拍攝了氣泡的破裂過程�；谟^測(cè)到的視頻，他們構(gòu)建了一個(gè)數(shù)學(xué)模型來測(cè)試和復(fù)制他們的實(shí)驗(yàn)假設(shè)。 氣泡破裂背后的物理學(xué)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(yīng)，甚至在粘稠度達(dá)至5000倍的水溶液中依然如此。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(yīng)。 雖然了解氣泡如何破滅也許在近期內(nèi)無法提供任何實(shí)際應(yīng)用，但研究人員期望，了解如何從較大的氣泡創(chuàng)建出小氣泡，未來某一天也許可幫助了解各個(gè)領(lǐng)域。 “我們?yōu)闉楹螘?huì)觀察到這些小氣泡串提供了一個(gè)一般性的解釋，”論文共同作者、普林斯頓大學(xué)機(jī)械和宇航工程教授霍華德·斯通說，“我們認(rèn)為，這項(xiàng)研究的重點(diǎn)之一是大氣泡在氣霧形成中的作用。” 眾所周知，當(dāng)小氣泡在液體表面破裂時(shí)，會(huì)向上噴射小液滴。這種效應(yīng)在碳酸汽水中很容易觀察和感覺到。以氣泡作介導(dǎo)的氣霧劑也與健康和氣候方面的應(yīng)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(dǎo)性材料傳遞到空中。 在家中就可一試 “許許多多的尖端科學(xué)成果必須利用專門的設(shè)備或儀器才能觀察到。我之所以熱愛此項(xiàng)研究，是因?yàn)槿魏稳嗽谒麄兊膹N房里就能看到整體效果，”伯德總結(jié)道，“這雖是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的效果，但你最終可觀察到美麗的圖案，得到具有普遍意義的結(jié)論。” 尖端科學(xué)通常不是任何人就能在居家廚房中就能完成的。但是，在6月10日《自然》雜志上刊登的此篇文章中出現(xiàn)的那些靈感，只要你準(zhǔn)備一些肥皂水、一塊玻璃和一根稻草，就可以迅速?gòu)?fù)現(xiàn)出來。 要嘗試做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，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(shí)吹稻草的另一端，在玻璃上創(chuàng)建出一個(gè)約2厘米至3厘米大的半球形泡沫。 現(xiàn)在，你只需靜靜地等著泡沫破裂，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(xì)觀察，你就能看到那串美麗的小氣泡。 更多閱讀 《自然》相關(guān)報(bào)道（英文） 《自然》發(fā)表論文摘要（英文） 特別聲明：本文轉(zhuǎn)載僅僅是出于傳播信息的需要，并不意味著代表本網(wǎng)站觀點(diǎn)或證實(shí)其內(nèi)容的真實(shí)性；如其他媒體、網(wǎng)站或個(gè)人從本網(wǎng)站轉(zhuǎn)載使用，須保留本網(wǎng)站注明的“來源”，并自負(fù)版權(quán)等法律責(zé)任；作者如果不希望被轉(zhuǎn)載或者聯(lián)系轉(zhuǎn)載稿費(fèi)等事宜，請(qǐng)與我們接洽。 http://news.sciencenet.cn//htmlnews/2010/6/233427.shtm |
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