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(cháng)一段時(shí)間內，我們擁有的答案都是錯誤的。直到本周，發(fā)表于《科學(xué)》雜志的一項研究在將液體倒過(guò)來(lái)之后，顛覆了此前的認知：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。

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

這個(gè)結論對于高粘度液體同樣成立嗎？在這類(lèi)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 )自行向內坍塌，從而造成結構不穩定，直觀(guān)表現就是氣泡周?chē)霈F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(guān)察泡泡坍塌背后的物理機制。在20年前，就有研究仔細觀(guān)察、分析了這一問(wèn)題。當時(shí)的研究發(fā)現，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(pán)狀，而孔洞就位于圓盤(pán)中央。因此，科學(xué)家此前根據上述現象直觀(guān)地推測：由于洞生長(cháng)的速度不及落下的速度，這類(lèi)氣泡的坍塌是由重力驅動(dòng)的。

不過(guò)，波士頓大學(xué)的工程師James Bird并不認同這個(gè)觀(guān)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。為了研究重力在其中的作用，他在原實(shí)驗的基礎上增加了一項：觀(guān)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)驗相同：粘性相當于純水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)，他們在這些顛倒過(guò)來(lái)的硅油表面戳出氣泡。他們發(fā)現，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(kāi)，而氣泡其余部分“下落”，相對快速地變成平坦的圓盤(pán)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)，此前重力起主導作用的觀(guān)點(diǎn)并不成立。

這項研究的共同作者，波士頓大學(xué)的Alexandros Oratis表示：“（根據當時(shí)的實(shí)驗）猜想重力導致氣泡坍塌是有道理的，但當你計算薄膜上的作用力時(shí)，你會(huì )發(fā)現其表面張力遠大于重力。因此，我們決定上下顛倒重新進(jìn)行實(shí)驗，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。當氣泡呈彎曲的半球形時(shí)，其表面積相比于圓盤(pán)狀時(shí)更大。在氣泡內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面的壁，從而讓人誤以為是重力起了作用。

當粘性氣泡破裂時(shí)，氣泡底部周?chē)鷷?huì )出現徑向的褶皺。這些徑向褶皺是怎么回事呢？此前的研究對這些褶皺的解釋是，導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(lèi)褶皺紋路的出現，讓表面變得平坦。那么，這些褶皺又是怎么形成的？

對于這個(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)，這項研究有實(shí)際意義嗎？其實(shí)，對泡泡感興趣的不僅是孩子，還有火山學(xué)家、胸腔科醫生、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制，對于理解自然界與工業(yè)界的眾多現象有著(zhù)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