肥皂泡破裂背后的物理学小秘密

 IDG君写在前面：

公元前2900年，古巴比伦人发明了肥皂。随着肥皂在世界范围内流行，越来越多的人也开始吹起了肥皂泡。吹出一个硕大的泡泡，可以说是无数人童年梦寐以求的事情。世界上最大的室外自由漂浮肥皂泡是由泡泡大师U.R.Awesome博士创造，这是一个96.27立方米的超级大泡泡，体积接近一辆卡车。

肥皂泡不仅有趣好玩，里面还藏着许多的科学谜题，比如经科学家测量，肥皂泡”破裂的瞬间，温度可高达2万℃，令人难以置信。而且，肥皂泡破裂时不只发出一声轻微的“砰”，而是两声“砰砰”，同样让人觉得意外。

如果你对这样的科学话题感兴趣，不妨就在这个夏日的午后，试着去吹出一个五彩斑斓的气泡吧。

本文授权转载自新发现杂志

撰文 Titouan Corlet

编译 唐悦

在物理学家阿德里安·比索涅埃尔（Adrien Bussonnière）位于雷恩的实验室里，肥皂泡才是真正的主角。

在超高速相机的镜头和24个麦克风的围绕下，它们演绎着一幕幕“悲剧”：肥皂泡破裂时发出的最后的呜咽是一记轻微的“砰”。

在我们深入理解这个结局之前，先将镜头倒转至肥皂泡形成的时候，然后缩小到分子尺度：每个肥皂分子都有一个亲水的头部和疏水的尾巴。

如果用吸管吹肥皂水，这些分子将借着气泡排列疏水的尾巴，而亲水的头部会在彼此之间以及周围的水分子之间形成非常牢固的结合。

由于形成这些分子间次级键会消耗能量，因此分子会尽可能排列成使疏水尾部远离水且表面积最小的球形。

不可避免的孔洞

当肥皂泡与外部空气接触时会形成第二层分子膜。得益于双层膜，一个呈完美球形的肥皂泡出现了。

肥皂泡内膜压缩内部的空气，使后者尽可能少占据空间——肥皂泡破裂时的声响正是膜内部的这一超压造成的。

受液体蒸发和地心引力共同作用，气泡的上端总会有孔洞形成，并且不断扩大最终导致膜的破裂。于是在膜消失的地方，不再被束缚的内部空气释放出来，同时将肥皂泡外层的空气推开，产生了人耳能够捕捉到的振动，即声音。

遗失声音的奥秘

这好像也不怎么复杂？稍等，还没有结束呢。

“通过理论计算，我们注意到这一现象所导致的声音占比不超过40%。”阿德里安·比索涅埃尔回忆道。那么缺失的那一部分声音是怎么来的？研究人员重新核查了视频后，发现了奇怪的现象：气泡壁上有一块以不同方式反射光的区域，并随着孔的扩大和破裂移动。

这就涉及孔变大时分子相互碰撞引发的“冲击波”了。当它经过时，会降低肥皂泡内膜的压力，导致困在肥皂泡内的空气在气泡壁消失前膨胀并使膜振动，就如同击打鼓皮时鼓膜使得与它接触的空气分子振动一样……这就形成了第二个破裂声！

肥皂泡的天籁之音因此由两个声部组成，但由于这一切都发生在电光石火之间，我们只能听到一个声音。

“如果能很好地控制肥皂泡的所有物化参数，或许可以听到两个声音。”阿德里安·比索涅埃尔打趣道。

肥皂泡破裂过程中的声音的确会根据不同的参数变化：膜破裂的速度越快，破裂的声音频率越高，这就是为什么小气泡破裂时发出更尖锐的声音，而大气泡破裂发出较低沉的声音的原因。

此外，肥皂的化学成分也会影响冲击波的速度，我们甚至可以通过肥皂泡破裂的声音来识别肥皂水中的化学成分，这也能给科学家提供获取珍贵信息的新渠道。

试想一下，如果我们能通过听岩浆气泡的声音来预测火山爆发的时间，那是多么有价值啊！

END

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