泡泡可以带给人强烈的快乐,比如吹出五彩斑斓的肥皂泡和不停捏爆泡泡膜。泡泡有什么用?在科学家和工程师眼中,泡泡绝对是平平无奇小天才:它带来了著名建筑“水立方”的设计灵感,它发出的湿罗音为医生诊断病情提供了依据,科学家利用泡泡膜建立的数学模型,还可以预测太阳耀斑发生的位置……泡泡的惊人影响力和巨大应用价值正逐渐被发现和发掘。
但是,泡泡形成与破裂过程中的许多科学问题仍然困扰着人们,一些公认的观点不断被否定和推翻。泡泡中到底蕴藏了什么特别的科学原理?最近又有哪些关于泡泡的结论被颠覆?泡泡科学能为人类社会发展提供什么呢?
泡泡的成因:液体表面张力。19世纪末,德国一位名叫艾格尼斯·普克尔的家庭主妇在厨房里首次测定了液体的表面张力。她所研究的表面张力,如同一张可以自我修复回弹的皮肤,是形成泡泡和维持泡泡形状的原因。但是表面张力并不是越大越好。就像纯净水,过大的表面张力会将泡泡撕裂;但如果将肥皂溶入其中变成肥皂水,表面张力就会减小,吹出的泡泡会变得又大又圆。
重力还是表面张力?泡泡破裂机制存疑。除了泡泡的形成,泡泡的破裂也引人关注。生成或消除泡泡对工业界有重要影响。人们一度以为对泡泡的破裂机理了如指掌:当一个气泡从液体底部逐渐浮升至液体表面,对于水这类低粘度液体形成的泡泡,表面张力会很快将它撕裂;而对于高粘度的液体,人们则认为重力的影响在这类泡泡破裂过程中占主导,而非表面张力。
泡泡破裂:隐秘而重要的过程。泡泡充斥着生活、生产的各个角落,泡泡科学正在展现越来越大的潜在应用价值。人们对泡泡的认知越深刻,得到的惊喜就越多。比如,利用泡泡可以提高船速。受帝企鹅在羽翼间储存大量空气的启发,人们在船的附近制造适量的泡泡,成功减小了行进阻力,提高了船速。
泡泡的破裂,还给医学带来了启示。科学家们观察到,座头鲸在海里游动时会吐出大量泡泡,它们是在排解作为生物体型巅峰的孤独吗?应该不是。大量泡泡的破裂会产生巨大的环绕立体声,困住受惊的鱼群,让它们捕猎更加轻松。这是座头鲸巧用泡泡觅食的重要技能。由此,衍生出了所谓泡泡声学的分支。医生们可以根据气流通过有稀薄分泌物的支气管时气泡破裂的声音(湿罗音),分析病人的肺部状况。
更令人脑洞大开的是,泡泡的相关输运能力,还可以用来调节气候。在血管里,泡泡破裂释放药物,在海洋中,泡泡破裂则会向大气中释放盐类物质和有机物。同时,泡泡还会裹挟二氧化碳和氧气等进入海洋。泡泡连通了大气和海洋,在物质循环中发挥着隐秘而重要的作用,它们帮助海洋呼吸,也对气候产生重要影响。