科学家研究了半天，终于搞懂了泡泡为啥会破裂
编译 | 吴非
在粘性液体表面，形成的气泡是如何破裂的？这个问题看似简单，但在很长一段时间内，我们拥有的答案都是错误的。直到本周，发表于《科学》杂志的一项研究在将液体倒过来之后，颠覆了此前的认知：造成粘性气泡破裂的不是重力，而是表面张力。
要理解这个问题，让我们首先来看看，液体中气泡从诞生到破裂的全过程。当液体中的气泡上升到液体表面，气泡首先形成一个薄膜穹顶。这时，气泡内的气体为气泡提供了支撑。不过，用不了多久，气泡最终还是破裂了。
对于这个现象，低粘度液体与高粘度液体有着全然不同的表现。在纯水等低粘度的液体中，气泡在几毫秒内就会迅速破裂。对于这类液体中的气泡破裂，科学家早已有了清晰的认识：表面张力和惯性控制了该过程。
这个结论对于高粘度液体同样成立吗？在这类粘性液体中，气泡破裂的速度要慢得多，破裂过程可能需要1秒，并且破裂的方式也与低粘度液体不同：它们会自行向内坍塌，从而造成结构不稳定，直观表现就是气泡周围出现径向的褶皱。
粘性气泡缓慢的破裂速度，也给了研究人员充足的时间来观察泡泡坍塌背后的物理机制。在20年前，就有研究仔细观察、分析了这一问题。当时的研究发现，在粘性液体的表面，在气泡上表面戳出一个洞时，这个洞会逐渐变大。在这个过程中，气泡下沉、收缩，直到形成平坦的圆盘状，而孔洞就位于圆盘中央。因此，科学家此前根据上述现象直观地推测：由于洞生长的速度不及落下的速度，这类气泡的坍塌是由重力驱动的。
不过，波士顿大学的工程师James Bird并不认同这个观点。为什么重力只在粘性气泡的坍塌中起作用？在他看来，这个猜想并不合理，为此他决定重做原始实验。为了研究重力在其中的作用，他在原实验的基础上增加了一项：观察上下位置颠倒的粘性气泡。
伯德与合作者使用的粘性液体与原实验相同：粘性相当于纯水100万倍的硅油。如此大的粘性使得少量硅油即使上下颠倒，也不会流出。
这时，他们在这些颠倒过来的硅油表面戳出气泡。他们发现，这时气泡坍塌的方式与此前正常的情况下完全一致：先是顶部的洞缓慢张开，而气泡其余部分“下落”，相对快速地变成平坦的圆盘状。但不要忘了，这时气泡“落”回粘性液体时，与重力的方向恰好相反。也就是说，此前重力起主导作用的观点并不成立。
这项研究的共同作者，波士顿大学的Alexandros Oratis表示：“（根据当时的实验）猜想重力导致气泡坍塌是有道理的，但当你计算薄膜上的作用力时，你会发现其表面张力远大于重力。因此，我们决定上下颠倒重新进行实验，从而确定重力真正的作用。”
表面张力的作用是使表面积最小化。当气泡呈弯曲的半球形时，其表面积相比于圆盘状时更大。在气泡内的压力大于气泡外时，表面张力起不到作用。但孔洞一旦形成，内外压力一致，就没有作用力可以维系气泡的曲率了。这时表面张力就会使表面积最小化，使得气泡不断收缩，直到变得平坦。
不过，表面张力对气泡不同位置的影响不尽相同。气泡顶部相比于接近气泡底部的位置更薄，因此顶部坍塌速率高于侧面的壁，从而让人误以为是重力起了作用。
当粘性气泡破裂时，气泡底部周围会出现径向的褶皱。这些径向褶皱是怎么回事呢？此前的研究对这些褶皱的解释是，导致气泡坍塌的重力足以克服表面张力，从而形成褶皱。但既然这个理论被推翻了，按理来说，表面张力会阻止这类褶皱纹路的出现，让表面变得平坦。那么，这些褶皱又是怎么形成的？
对于这个悖论，伯德给出的解释是：在气泡顶部，薄膜更薄，这里的表面张力可以阻止褶皱形成。但在更厚的气泡底部，气泡坍塌造成的收缩足以克服表面张力。
看到这里你可能要问，这项研究有实际意义吗？其实，对泡泡感兴趣的不仅是孩子，还有火山学家、胸腔科医生、玻璃工人等等科学、工业领域的工作者。气泡形成与破裂的物理机制，对于理解自然界与工业界的众多现象有着重要意义。
原始论文：
https://science.sciencemag.org/content/369/6504/685
参考链接：
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
原标题： 一个颠覆性答案，登上《科学》封面：是什么弄破了这些泡泡？| 科学GIF
来源：环球科学
编辑：Dannis
如何吹出一年多都不会爆炸的泡泡？
撰文 苏澄宇
邓紫棋有一首歌《泡沫》Bubble（也有泡泡的意思） ，你可能听过，有一段歌词是这样的：
美丽的泡沫，虽然一刹花火，你所有承诺，虽然都太脆弱，但爱像泡沫，如果能够看破……
总之这首歌想表达的意思很简单：爱情就像泡泡一样，非常脆弱，一触即破。
但其实不然，如果邓紫棋说的泡泡是这种一年多都不爆的泡泡，那爱情还挺顽强的。
为什么肥皂泡容易炸？
如果只是用水来吹，一辈子都不能吹出泡泡。但只要在里面加入肥皂水，就可以吹出一个球形泡泡。
这是因为肥皂水里有一个叫表面活性剂的分子，具体来说是一种可以溶于水，并且可以显著降低水的表面能的物质。除了肥皂水，各种清洁、乳化剂、润滑剂、增溶剂等也都有表面活性剂。
这种分子有独特的两端，一端是亲水的极性基团，可以一直和水粘在一起；一端是疏水的极性基团，不喜欢和水粘在一起。
一个气泡就像一个薄膜构成的球，膜有两面，一面朝外，和大气连接，一面朝内，和内部气体连接。
活性剂此时亲水的那一头藏在水里，不喜欢水的那一头在表面，此时的薄膜你可以想象成中间是一层水，里外两层是活性剂的三明治。
由于重力的作用，顶层的水总会往下流，这就导致了顶层的膜越来越薄，至多几十纳米，此时一点扰动，比如针扎或者风吹，都会膜产生褶皱。
此时，表面张力发生改变，三明治就裂开了，泡泡爆炸。
如何让泡泡的存活时间延长？
因此，如果我们想让泡泡时间延长，我们就得让水流动的速度变慢，而变慢的方法就是增加气泡的粘性。
这不，就有科学家这么做了。
1969年，有一个科学家A. V. GROSSE在泡泡溶液里添加了一些有机聚合物，如聚乙烯醇或聚氧乙烯，增加了泡泡的粘性，制造出一个直径超60厘米，体积达100升的超级肥皂泡，坚持了两年多不爆炸。不过前提很明显，外界都没有扰动，得在实验室里做出这样的泡泡。
不过没找到那时候的照片，只能附上文献中的表格了。
最近又有科学家打造出了一个超级泡泡，半径3.7毫米，不过这个泡泡有点作弊的感觉。
这种泡泡表面覆盖一层塑料颗粒外，还加了甘油。嗯，白色的麻球……
泡泡在自然情况下存活了465天，是普通肥皂泡的20万倍。
最后爆炸的原因和普通泡泡不太一样，是因为微生物的滋生而破裂。
这里附上制作方法。
第一步：把甘油和水混合在一起，放在平板上，之后撒上湿润的塑料颗粒。
第二步：用针管向溶液中注入空气，吹出泡泡。
第三步：然后把吹出泡泡在平板上滚一滚，让颗粒沾满泡泡表面
大功告成！泡泡，不对，只要不动它就不会随便爆炸的、存活时间超长的麻球泡泡吹出。
说真的，这个泡泡真的很像麻球。
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来源：把科学带回家
编辑：Paarthurnax
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