法國科學家發明了一個機器，只為研究怎麼吹肥皂泡

吹肥皂泡是人們再熟悉不過的童年遊戲了，伴隨著一陣陣歡笑，孩子們撅起的小嘴吹出一個接一個輕靈的肥皂泡，陽光下五顏六色的泡泡隨風飄散。這樣熟悉的場景，是否也會勾起你的美好回憶？

吹泡泡的過程能體現很多物理學規律，比如說表面張力的作用，但是這個人們無比熟悉的現象，之前卻沒有得到過量化的物理學研究。吹起一個泡泡，到底要用多大力氣？現在，來自法國的幾位物理學家為了我們揭開了這個問題的答案。

他們在實驗室里搭建起儀器，在嚴格控制變數的條件下對吹泡泡的過程進行了一番詳細研究，並且頭一次為它建起了數學模型，還把結果寫成論文，發表在了2月19日的《物理評論快報》（Physics Review Letter）上[1]。這篇論文也道出了輕鬆吹泡泡的秘訣：用粗管子吹，或者說，選一個面積大一點的工具形成液膜。

圖片來自：shutterstock

物理學家的泡泡機

肥皂泡只要抄起泡泡水和吹管就能吹出來，但搞科研可沒這麼簡單。用嘴吹泡泡很難保證氣流均勻，肥皂泡膜的厚度不容易保持穩定，這變數要是控制不好，還怎麼愉快地做實驗？所以，研究者們要做的第一件事就是搭起一台足夠精準穩定的吹泡泡機。

為了讓肥皂泡膜保持穩定，研究者在產生肥皂膜的裝置頂端安裝了一台微型泵，從而使肥皂膜中的液體保持循環流動。通過對泵的調節，既可以使肥皂膜長期保持穩定，又可以根據需要調整肥皂膜的厚度，可謂一舉兩得。通過這套裝置可以產生一個垂直於地面方向，寬度與高度可調節，並且最高可超過1米的大型肥皂膜。

研究者設計製造的肥皂膜研究設備，圖片來自原論文

肥皂膜穩定性的問題解決了，下一步就是通過控制氣流的流速吹肥皂泡了。研究者緊貼著肥皂膜的表面放置了一個圓形的噴管向液膜吹氣，並架好高速攝像儀，記錄下整個過程。

氣流與表面張力的「拉鋸戰」

研究者們發現，當氣體流速較低時，液膜只會微微地凹陷，並不會產生氣泡。隨著氣體流速的不斷提高，凹陷會不斷加深，在達到臨界值之後，圓圓的氣泡就能脫離液膜飛走了。

氣流速度未達到臨界值（上）和達到臨界值後（下）。原視頻來自論文

而這個氣流速度臨界值的大小，則完全取決於吹管的尺寸：用粗管子吹，只需要較慢的氣流就夠了，而較細管子就需要更急促的氣流才能吹得起來。至於液膜厚度和所用氣體的種類，則不會對臨界值造成影響。

這背後的物理原理是什麼呢？其實，吹泡泡的過程就是表面張力與氣流壓力之間的一場「拉鋸戰」。

在吹氣泡時，液膜上會首先形成凹陷，這也就意味著局部的液膜表面變彎了（曲率變大）。液膜的表面張力為了抗拒曲率變大，會像被拉開的彈簧一樣，竭力把液膜拉回到初始的平滑狀態。此時，唯一施加的外力——吹氣產生的氣流壓力，在這一過程中就扮演了重要的角色。

研究者解釋說，吹肥皂泡實際上就是氣體施加的壓力與液膜表面張力之間的競爭。當氣流施加的壓力增大到足以使液膜凹陷為半球狀，並且半球的直徑與噴管的直徑相同時，此時，曲率半徑達到最大，凹陷的液膜將掙脫表面張力的束縛，形成完整的肥皂泡脫離液膜。這一刻，就是我們童年時光吹出肥皂泡時歡樂的瞬間。

為了與現實更加貼近，研究者們還對噴嘴與液膜不同距離、以及管徑與液膜寬度不同比例下的情形進行了研究。發現當氣流的寬度大於液膜寬度時，吹出氣泡時的氣流臨界速度只由液膜的寬度所決定。也就是說，當我們離起泡桿較遠時吹氣，起泡桿的面積越大，越容易吹出泡泡；面積越小，則難度越大。

研究出肥皂泡背後的形成機制，將幫助人們更好地理解並解決某些工業過程中遇到的問題，例如發泡產品的生產、玻璃製造以及液體塗料的使用等。當然，作為人們日常生活中最尋常的一個經驗，了解吹肥皂泡背後的物理機制，本身也足以讓人們的好奇心得到滿足了。

（編輯：窗敲雨；排版：Sol_陽陽）

參考資料：Louis Salkin, Alexandre Schmit, Pascal Panizza, and Laurent Courbin. Generating Soap Bubbles by Blowing on Soap Films. Phys. Rev. Lett. 116, 077801 – Published 19 February 2016

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