这群物理学家吹出了“完美泡泡”，还把结果送上了知名期刊
图片来源：leaprate.com
泡泡是怎么被吹出来的？怎样才能吹出完美的泡泡呢？这项“老少皆宜”略带梦幻的娱乐活动看似简单，背后的科学却相当复杂。科学家们对吹泡泡问题探讨了近两个世纪，直到最近，一个来自纽约大学（New York University）的研究团队设计出了完美泡泡的“精确配方”，研究于 8 月 31 日发表在 《物理评论快报》 （Physical Review Letters）上。
撰文 徐文慧
严肃的“吹泡泡科学”
吹泡泡可不只是简单的娱乐活动，在物理学界，吹泡泡长期以来都是困扰着科学家们的“严肃科学”。
早在 19 世纪，比利时物理学家约瑟夫·普拉托（Joseph Plateau ）就概述了四条基本的表面张力定律——普拉托定律（Plateau's laws），决定了皂液膜的结构。泡泡呈球形是由于表面张力的存在：对于给定的体积，球形具有最小的表面积，因此需要最少的能量来维持。
20 世纪 40 年代的时候，美国植物学家埃德温·马茨克（Edwin Matzke）在他的实验室里手工制造泡泡，接连制作出的泡泡让他能更好研究它们的结构。
更近一些的 1994 年，爱尔兰都柏林大学（University of Dublin）的数学家们用计算机建模来确定最佳几何形状的泡泡；而德国和美国的科学家们则使用声学悬浮，即强大的声波使泡泡悬浮在半空中。
肥皂泡簇快照
图片来源：Saye & Sethian, UC Berkeley/LBNL
2006 年，哈佛大学（Harvard University）的研究人员发现，在皂液中加入微小的胶体颗粒可以产生一层“膜外膜”作为泡泡的护甲，让产生的泡泡更稳定，并能随意塑造形状。麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的科学家们甚至构建了初步的微流体泡泡逻辑设备，用于运送治疗药物或化学试剂。
寻找完美泡泡
就在 2016 年，法国国家科学研究中心（French National Centre for Scientific Research，CNRS）和雷恩大学（University of Rennes）的洛朗·库尔班（Laurent Courbin）和帕斯卡尔·帕尼扎（Pascal Panizza）创建出了一个理论模型，用于测定在气流喷射到皂液膜时形成肥皂泡的机制。
为了测试这个理论模型，库尔班、帕尼扎和同事们建造了一个大型设备，来张开足足一米高的垂直皂液膜。他们发现，只有在喷射气流的压力足够大，使薄膜变形成与喷射器宽度相同的半球形“凹坑”时，才能形成泡泡。
通过一次次的吹泡泡实验，纽约大学（New York University）库朗数学研究所（Courant Institute）应用数学实验室的的研究人员发现了两种创造泡泡的方法：一种是用稳定而强劲的风推动圆形的肥皂膜来形成泡泡；另一种是将缓慢而轻柔的风注入小泡泡中，把泡泡慢慢吹大。
街头表演就常常用到第一种方法，TA 们或者跑起来，或者快速地挥动手臂，来提供泡泡薄膜伸展需要的稳定而强劲的风。
“第二种就是我们在小时候用吸管吹泡泡的方法：先快速吹让肥皂膜向外弯曲，形成一个小泡泡，然后即使吹动速度变慢，小泡泡也会长成大泡泡。”领导这项研究的助理教授莱夫·里斯特罗夫（Leif Ristroph）说到。
在实际的实验中，研究人员并不是在空气中吹肥皂泡，而是在水中 “吹油膜泡泡”：在水中利用水流推动金属圆环张开的油膜形成泡泡。“在控制、测量和观察流速方面，使用水而非空气具有许多优势，” 里斯特罗夫解释说，“这是使实验更顺利进行的一个技巧。”
视频来源：Leif Ristroph
实验观察结合数学模型的预测，让研究人员得以理解产生薄膜形状的力，甚至得出了吹出完美泡泡的操作技巧。里斯特罗夫表示：“我们现在可以确切地得出推动液膜形成泡泡所需的流速，以及这种流速和金属圈尺寸等数据的相关参数。”
如果金属圆环的周长是 3.8 厘米，那么就应该以 6.9 厘米/秒的风速吹动液膜，吹得更快或是圆环周长更小，泡泡都会破裂；而吹得太慢或是圆环周长更大，气泡会逐渐变小甚至根本不会形成。
泡泡科学的日常
实际上，在我们的日常消费品中，泡泡科学的应用广泛存在。从化妆和农业使用的喷雾，到剃须和护肤需要的泡沫剂和乳液，它们都是互不相容的液态物质组合。
研究给出的“完美泡泡配方”，除了指导我们吹出更稳定的泡泡，更有助于理解和优化喷雾和泡沫用品的工业生产。另一个方面，在玻璃制造和液体涂覆过程中，避免气泡的产生也尤为重要，这些都离不开对“吹泡泡”的理解。
最直接的应用可能会体现在物理实验教学上，水中吹油膜的实验将更有实际操作和演示的意义。
本文来自微信公众号“科研圈”。如需转载，请在“科研圈”后台回复“转载”，或通过公众号菜单与我们取得联系。
科研圈
ID: keyanquan
点击关注，获取最新动态
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.094501
更多论文解读及推荐，点击👉关注领研网论文频道。
▽ 精彩回顾 ▽