为什么泡泡会破「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’ve-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

肥皂泡为什么会破？

1、肥皂泡的生命是短暂的，组成泡泡的液体受到重力影响会不停地向下运动，这导致本来只有微米厚度的肥皂膜的上方变得更薄，最终它的张力无法平衡拉普拉斯压力；与此同时，泡泡的液体会不停蒸发，这也会使它越来越薄，最后破裂。

2、当用干燥的手指触碰到肥皂泡的表面时，也会导致接触点位置的膜发生破裂。这是因为在接触泡泡的瞬间向它传递了能量，这会破坏泡泡表面力的平衡；皮肤的表面的油脂与肥皂膜的化学反应也是泡泡破裂的原因之一。

肥皂泡的物理学

肥皂泡内外压力是存在差异的，它内部的压力要更大一些，类似于一个气球，这也是那层肥皂膜得以存在的真正原因。

当对一个肥皂泡进行力的分解时，就会发现在任何一个肥皂泡上至少存在以下几个力：外部空气向内的压力、内部空气向外的压力、肥皂膜的表面张力、地球的引力以及肥皂泡的浮力。

在这些力中，表面张力起着关键作用，它维持着肥皂泡内外压力的平衡，也决定了泡泡的内部压力总是大于外部压力。作用于肥皂泡表面的压力差被称为拉普拉斯压力，计算这个压力差有一组复杂公式，它与肥皂泡的大小、膜厚度、温度以及液体的性质等等相关。

为什么泡泡水吹出来的泡泡很快就会破损？

小时候泡泡吹在树叶上或者草地上瞬间就会破裂了，也许是因为有了外界的碰撞导致的。但是还是有很多的人喜欢。

由于水的重力导致气泡膜的密度不同，在压力作用下，稀薄处会破裂，因为正是压力使气泡形成。第二种是吹泡泡，泡泡糖或口香糖。因为吹气时，气压变大，气泡越大，口香糖的可食用胶膜就越薄，这是由于气压的增加而破碎的。第三个原因是肥皂泡膜（更多的水）被水的引力和水之间的吸引力吸引后破裂或收缩。

肥皂泡吹大后，墙就很薄了。在重力作用下，上部的水向下部集中，上部的墙体变薄。同时，液体之间存在一种张力，以保持其粘聚力，粘聚力越大，粘聚力越大，这就加剧了气泡壁上下厚度的差异。当差值达到一定程度时，上下壁的厚度差就足以使气泡无法承受张力而破裂。

肥皂泡是由肥皂水溶液的表面张力形成的，加入少量甘油会使肥皂泡吹得更大。它只是一层很薄的混合液体，有很高的亮度和反射。因为它是圆的，人们可以看到它在不同角度的反射是多彩的。非常漂亮的球体。然而，由于其球壳薄，当有附着物时，由于水分子的吸附或蒸发，球的表面会受到损伤。空气干燥越多，破裂发生得越快，这正是因为水的快速蒸发。

大街小巷随处可见小孩子们喜欢玩着吹泡泡，但是家孩子那个朋友们一定要注意看好孩子，不要误食泡泡液。