宅家陪女儿时,Saverio E. Spagnolie曾做过一个小小的科学实验:将葡萄干投入碳酸饮料中,它们的全身会快速裹满气泡,在水中节奏地旋转跳跃,上下翩跹起舞。这一过程会持续数分钟,甚至长达一个小时。
Spagnolie是美国威斯康星大学麦迪逊分校的数学教授,一直以来,他都对粘性流体中的复杂动力学过程、微生物运动、生物力学等方向很感兴趣,也非常乐于开发新颖的数值方法来钻研这些问题。但和女儿玩耍时,他意识到,或许不需要什么高科技,每个人的厨房都是一座顶尖的实验室——复杂的流体行为在这里随处可见。
为了理解令人着迷的“葡萄干+苏打水”组合,他薅来了两位学生一起,做了一系列实验,并在计算机中完成了数值模拟,还构建了理论模型,以描述葡萄干的运动行为。最终,他和学生撰写了一篇研究论文,已于5月9日在线发表在《自然·通讯》上。
当葡萄干进入苏打水时,由于密度更大,它总是先沉入底部。但苏打水(或者任意的碳酸饮料)本质上是一种碳酸“过饱和”的液体,其中含有的气体超出了液体的容纳能力,一旦开启饮料罐,伴随着“啪”的一声,压力下降,二氧化碳分子也会开始持续不断地逃逸到空气中。而正是这些气泡,赋予了葡萄干舞蹈的动力。
葡萄干上附着的气泡越聚越多,浮力也越来越大,最后,它会被气泡拉着悬浮上升,直到液体表面。然而,葡萄干一旦抵达液体表面,跳出水面的气泡就会立刻破裂。不对称的浮力会让葡萄干转起圈来,消耗更多气泡。当气泡消耗得不足以支撑葡萄干悬浮后,它会再次沉入底部。
为了精准描述过饱和流体中物体的悬浮和动力学行为,Spagnolie通过实验和数值模拟数据,开发了一个数学模型来预测物体的振荡动力学行为。考虑到气泡是过饱和溶液中物体运动的动力源,研究人员需要确定这些小小的“动力”随时间的变化。
苏打水中上下舞动的葡萄干,看上去是非常简单、易于理解的现象。但正是这样基础的系统,为物理学家提供了一个方便研究复杂流体中物体行为的平台。从厨房中跳出来,我们会发现过饱和流体不仅有碳酸饮料,自然界中的岩浆也是其中一员。