敢於手插鋼水、頭淋液氮的勇士，卻為何對開水無計可施

雖然冬天都快到了，但網紅液氮冰淇淋卻依然如此誘惑。

冒著縷縷白氣的冰淇淋看起來既清涼又美味，集解暑、解饞、拍照裝逼於一身。

但一則小女孩被凍傷的新聞卻把罪名直指於它。

原來用於給原料降溫、製造效果的液氮溫度低至-195℃。

液氮冰淇淋

極端的低溫想必超出人體的承受範圍。

畢竟目前記錄的人體體溫下限是13.7℃。

而當全身浸在0℃的水中，沒受過訓練的人會馬上失去知覺。

大概5分鐘之內就會因體內細胞和組織的大規模壞死而結束生命*。

*註：數據來源於廣東科學中心。

雖然冰淇淋中使用的液氮含量不多，在常溫下也很容易蒸發。

通常不會造成如此嚴重的後果。

但意外總是不遂人意，畢竟風險還是一定程度地存在。

而這不免讓人想起幾年前一度風靡全球的冰桶挑戰。

冰桶挑戰接力是為了讓漸凍人症被更多的人所了解。

而這項趣味十足的挑戰也成了勇敢者的遊戲。

冰水算什麼？不久後就有人玩出了更刺激的花樣。

他們把冰水換成了液氮。

從頭潑下冒出的裊裊白氣讓人隔著屏幕也能感受到穿心刺骨的寒意。

但是當人體直面液氮的潑灑下，超乎想像的寒冷席捲全身。

原以為即將目睹一次驚人的作死直播。

屏幕前的觀眾既揪心又期待著這戲劇性的一幕，但現實卻大失所望。

這些勇士卻只是冷得跳腳，然後依然毫髮無損地在鏡頭面前談笑風生。

以至於讓人懷疑是事先在液氮中動了手腳，還是運用拍攝手法矇騙了觀眾。

液氮

冷與熱是溫度的兩個極端，卻沒有限制人類對於危險的試探。

有人在挑戰寒冷的極限，同樣也有人把高溫當做信仰。

我國許多傳統村落都保留有一項叫做「過火」的民俗活動。

比如福建羅源縣每年廟會中的「過火」活動就是一個非遺項目。

過火儀式

在廣場中搭建一個600多簍木炭組成的巨大火埕。

燃燒時達到200~300℃的高溫有著興旺與福氣的美好寓意。

而儀式的高潮，在於村民抬著轎子赤足通過直徑15米的滾燙木炭堆。

高溫中沒有出現燙傷的危險，反倒承載著新的一年裡消災解厄的希冀。

拋開信仰的力量，有人只是單純把高溫挑戰當做吸引人的危險演示。

下圖中的試驗者徒手插入700℃溶化後的鉛水中。

隨著濺起的水花伸出液面的，是一隻依舊光滑的手。

而在這危險的一幕發生之前，試驗者除了洗手之外沒做任何準備。

但也正是這看似是為了保持潔凈的小動作，其實暗藏著玄機。

險象環生的處境彷彿具有獨特的吸引力。

這也恰恰勾起了人們的獵奇心理。

但是哪有人真的用生命作為賭注完成一次無關痛癢的挑戰。

其實他們只是善用科學伎倆玩出了吸睛的小「雜技」。

實驗前洗手是必不可少的操作

在極端的溫度中免受傷害的並不是因為擁有什麼超能力。

而是萊頓弗羅斯特效應在作祟。

1756年，一位名叫萊頓弗羅斯特的科學家在烹飪時，無意中發現了一個奇怪的現象。

他觀察到，燒紅的鐵勺上滴上水珠後，水珠沒有與鐵勺直接接觸，而是懸浮了起來。

大概30秒後，懸浮的水珠才扁塌下去並蒸發。

於是他在發表了一篇關於液體性質的文章，講述了他的發現。

因此，這個效應也以他的名字來命名。

他認為，當接觸到炙熱的鐵勺時，水珠底部接觸面會立即蒸發。

但液體內部蒸發稍微滯後。

此時在液體表面已經形成一層0.1~0.2mm的蒸汽層，包裹著內部沒來得及蒸發的液體。

萊頓弗羅斯特現象下的液體

錯失了蒸發先機的內部液體，這時也就被保護了起來。

這薄薄的一層蒸汽層阻止了液態水與熱勺的進一步接觸。

同時由於蒸汽的導熱性比金屬差，蒸汽層的隔熱能力讓液滴比原本的蒸發速度明顯地減慢。

但是這種現象也不總是能發生。

如果鐵勺的溫度不夠高，水珠也很快完全蒸發，而不能形成懸浮。

於是他推斷，要在溫度足夠高的情況下，才會發生這種現象。

這個臨界溫度，就稱為萊頓弗羅斯特點。

經過粗略的估計，這個點大概在193℃。

除了溫度有要求之外，時間也是限定的。

蒸汽層只是減緩了蒸發速率，而不是讓蒸發停滯。

一位著名的蒸汽鍋爐設計師發現，原本在168℃就能立即蒸發的水，由於形成蒸汽層而能在202℃下持續152秒才完全蒸發。

萊頓弗羅斯特點也被認為是懸浮液滴持續時間最長的溫度。

隨著時間的推移，液滴逐漸蒸發完全

這也就解釋了為何赤足走過炭火的村民毫髮無損。

他們在上炭之前必定是先用水浸泡過雙腳。

利用萊頓弗羅斯特效應，水珠形成的蒸汽層減緩了高溫炭到足底的熱傳遞。

不僅避免了燙傷，甚至還能愉快地跳上一支蹈火舞。

與火為伴的村民或許還不知道其中原理，但也能夠從實踐中得到經驗。

這也不失為一種智慧。

保加利亞民俗，在炭火上跳蹈火舞

但要是隔壁村來了個不明就裡的人，看到此景也躍躍欲試。

而木炭還沒燒得足夠燙，也就是溫度沒達到萊頓弗羅斯特點。

本想著火燒到鼎盛都可以行走，此時還有充足的忍耐餘地。

於是他貿貿然地脫掉鞋履，衝上木炭表現一番無畏的英雄氣概。

那麼結局大概是慘不忍睹的。

這麼說來高溫的傷害是可以避免了。

但液氮挑戰分明是碰上了低溫，萊頓弗羅斯特效應的影子又在哪裡呢？

其實反過來想，人體碰上了低溫，不就是液體碰上了高溫嘛。

徒手伸進液氮中

這時傾瀉在人身上的液氮就相當於做飯時倒進熱鍋里的水。

人體也充當了一回「煮」液氮的小爐灶。

在液氮表面形成的蒸汽層對於人體感官來說，就隔絕了寒冷。

當然，低溫中也有一個界定危險與安全的萊頓弗羅斯特點。

而萊頓弗羅斯特效應中形成了蒸汽層的液體不僅有隔絕冷和熱的用途。

這也成了為完成某些小把戲所利用的物理手段。

有人還利用這種液體特性展示了許多有趣的現象。

把手伸入液氮

熱鍋上的小水珠

形成蒸汽層瞬間

水珠像蟲子般蠕動

隨著觀察的深入，人們發現這些萊頓弗羅斯特效應下的液體還隱藏著許多特性。

在平鍋中滴落形成蒸汽層後，一顆顆液珠竟會自動滾動起來，看起來非常有趣。

而在許多動力學家眼中，它的內部彷彿有一個小型的發動機。

到底是哪裡來的動力驅動著它們運動？

這個問題在萊頓弗羅斯特現象被提出250多年後才得到解答。

做出解答的戴維·奎爾

法國物理學家戴維·奎爾用高速攝像機檢測液滴中的微小運動狀態。

在平坦光滑的水平面上，液滴確實開始進行移動。

隨著液滴蒸發的繼續，它的內部結構變得不那麼均衡。

也就是說，一部分蒸發得快，一部分蒸發得慢。

而這些不平衡的力就會推動著液滴像輪子一樣自由滾動。

偶爾還會旋轉和振蕩。

再加上懸浮起來的液體本身幾乎不受到摩擦力。

因此要運動起來並不需要太大的推力。

通常液滴滾動的方向是隨機的。

這似乎並沒有什麼研究意義。

但如果能夠人為地引導這些液滴的流動方向，也許就是推向實際應用的一大突破。

果然，研究人員發現這些液滴會從較高溫的地方滾向低溫處。

這是因為蒸汽層的形成與溫度有關。

低溫時形成的蒸汽層比較薄，高溫反之。

所以導致了溫度不同的表面之間的傾斜。

在這些研究的基礎上，科學家通過實驗讓水滴完成了「爬樓梯」的高難度動作。

在傾斜12°的鋸齒形表面上，水滴像變形蟲一樣滑動著登上一級級的「階梯」。

這可不是為了創造趣味視頻，博得觀眾注目。

他們是在探索研究一種新型自走式設備的可能性。

在「爬坡」的水滴

但其實在生活中並不輕易發生萊頓弗羅斯特效應。

要時間、溫度等各種條件同時具備的情況不容易發生。

像普通的燙傷、雪地上凍傷皮膚髮生的概率相對更大。

因此不要以為萊頓弗羅斯特效應時刻保護著我們免受高溫和凍傷的危險。

*參考資料

J.Walker, 「Boiling and the Leidenfrost effect,」 in D. Halliday and R. Resnick,Fundamentals of Physics (Wiley, New York, 1988), 3rd ed., pp. E10–1.

東南網：羅源非遺民俗「過火」引海外華人來觀摩

RolandPease. Scientists Make the Water Run Uphill[J]. BBC News, 2006.

EngineeringPhysics: Leidenfrost effect.

CharlesQ, Choi. 250-year-old Leidenfrost Effect May Help Design Future Self-propelledDevices[J]. Inside Science. 2018.

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