那個炸油條的師傅，可能是流體力學專家
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每一口發出嗞啦、砰砰、嘶嘶、噼里啪啦等不同聲音的油鍋，裡面的氣泡都可以被分成三類，每一類對應一種聲音。最近，幾位醉心於美食物理學的科學家們使用高速攝像機和麥克風記錄下了炸東西時產生的氣泡，用數據代替經驗，力求做一個能聽懂油鍋、躲開飛濺熱油的好廚子。
食物下鍋的瞬間，升騰的熱氣伴隨著噼里啪啦的響聲，不知撫慰了多少疲憊的靈魂。油炸食品是跨越文化和時代的美食，快餐里的炸薯條、日料里的天婦羅、路邊早攤上的油條……食物在油鍋里發出的聲音不僅能勾起食客的饞蟲，也引發了物理學家的興趣。
為了探究炸東西的聲音是怎麼形成的，美國猶他州立大學（Utah State University）的 Akihito Kiyama 和來自加拿大滑鐵盧大學（University of Waterloo）、沙特阿卜杜拉國王科技大學（King Abdullah University of Science and Technology）的同事們用攝像機和麥克風記錄下了無數個「油炸瞬間」：他們用流體力學方法分析了水滴進入熱油時產生的氣泡和聲音，還解釋了飛濺熱油的形成過程，在學術期刊《流體物理學》（Physics of Fluids）上發表了一篇論文。
在實驗室里炸一張紙和一滴水
對於這種小氣泡，前人的研究主要集中在一個領域：用液滴撞擊加熱的液體，研究其後的動力學過程。科學家們曾經把水（甚至甲醇）滴到不同厚度的熱花生油、大豆油、芥子油表面上，研究水滴的蒸發和飛濺（看起來每一種油都幫助了一篇論文發表）。自帶氣泡的碳酸飲料當然也沒有被放過——有人把它倒入啤酒研究氣泡分布。
在這項新研究里，為了降低難度，研究者打算先模仿「二維的食物」做一個預研究——就像炸蝦片那樣，炸一張蘸了水的紙。預研究幫助他們把氣泡分成了三類：油麵會爆炸飛濺的「爆炸腔」（Explosion cavity），向下噴射形成的「拉長腔」（Elongated cavity），對液面周期性擾動、也會導致小型飛濺的「振蕩腔」（Oscillating cavity）。
然後，他們直接把二維降到了零維：在實驗室里，用炸食物的油溫來炸一滴水。這個操作並不新奇，但其他研究都是讓液滴自由下落，撞擊油的表面。而他們不一樣：研究者精心設計了實驗裝置，參考燃燒實驗所用的「懸滴法」，把一滴體積不到 4 μL 的蒸餾水沉到懸線底部，然後使用手動平台將其浸入油中，以此來控制液滴的浸入深度。後續的實驗表明，液滴初始深度是很重要的參量之一，因此對深度的控制變得非常重要。
實驗裝置示意圖。來源：論文
油用的是菜籽油，溫度控制在 170-210 ℃ 之間，大約是炸食物的溫度，也不至於使菜籽油熱得冒煙。容器外放置了高速攝像機，可以拍下水滴變化的清晰圖像。由於圓形玻璃容器會在水平方向上扭曲圖像，所有的距離都是豎直測量的。
三類氣泡
和預實驗相同，「炸水滴」產生的氣泡也都被分成了三類。
室溫水滴進入熱油後受熱汽化，形成油內氣泡空腔。如果這個氣泡初始位置離液面很近，足以撞破液面，就會使油花飛濺，屬於爆炸腔；如果氣泡初始位置稍微遠一些，撞不破液面，相互作用形成液面上和氣泡內的上下兩股射流，屬於拉長腔；如果氣泡離得更遠，在振蕩過程中始終保持球形，腔體的快速膨脹產生密度波擾動油麵，則屬於振蕩腔。
a 爆炸腔、b 拉長腔、c 振蕩腔。圖片來源：論文
熱油飛濺背後的物理學
每一類氣泡都被高速攝像機拍下汽化膨脹的過程，並記錄下它在時間和頻率上的聲音特徵。爆炸腔和拉長腔的基頻是相同的，這意味著聲音主要源於氣泡的前期膨脹過程；振蕩腔的基頻稍小一些，其聲音源於氣泡體積的周期性振蕩。
對於爆炸腔，氣泡快速膨脹撞破液面，熱油形成了飛濺液滴（氣溶膠）。我們可以觀察到油麵上展開一簇水花，而油麵下的氣泡保持半球形，直到底部開始向上移動。氣泡的深度和時間存在冪律關係，當深度達到最大值時，氣泡開始變平，油麵上方的噴射也會形成一個穹頂。
爆炸腔氣泡聲音信號的變化趨勢和形態變化同步。在氣泡形成階段，聲音信號很弱；當氣泡撞破液面形成飛濺時，聲音迅速達到峰值，這說明爆炸是聲音的主要來源；之後聲音隨時間衰減，在 5 ms 後幾乎為零，峰值頻率約為 1.4 kHz。
對於拉長腔，由於氣泡無法撞破液面，氣泡向液面靠近時，相互作用令油麵向上形成油柱，氣泡頂部向下形成一個內凹型空腔。這類氣泡的聲音峰值信號在 1 ms 時被捕捉到，峰值頻率也在 1.4 kHz 左右，和爆炸腔的峰值頻率是相同的。不過，拉長腔聲音的主要來源是 1 ms 內氣泡的快速膨脹，而並不是氣泡在之後的拉長。在 5 ms 之後，聲音信號仍有較小的波動，可能是因為氣泡的持續存在。
有趣的是，研究者們在水滴進入熱油 13 ms 後，觀察到了「子液滴」的出現。同樣的現象在其他科學家用液滴撞擊油麵的實驗中也能觀察到。在這個例子里，拉長腔留下了一顆子液滴，這顆子液滴隨後下沉，然後在一個更深的位置蒸發並形成振蕩腔。這或許能夠解釋一種實際場景：炸東西時，油鍋里產生了不同類型的氣泡，導致了熱油飛濺。
振蕩腔氣泡在水滴達到液面下 11 mm 的深度時產生。在前 3 ms，水滴汽化形成氣泡並快速膨脹，之後 10 ms 氣泡體積一直周期性地振蕩，使得液面上原本存在的一些小氣泡形成射流。這些液面上的小氣泡可能被懸線浸入時帶入，也可能是上一次實驗的殘留。在 13 ms 時，氣泡達到最大體積並分解成許多小氣泡，整體振蕩減弱。
振蕩腔氣泡的聲音信號也可以被分成這三個階段，其中周期振蕩的第二階段是聲音的主要來源。聲音峰值頻率在 0.8 kHz 左右，和該氣泡的振蕩頻率相一致。二次諧波頻率 1.6 kHz 則形成了一個次級峰。研究者認為，當油麵上存在一些小氣泡時，即使沒有發生振蕩腔氣泡的破裂，也可能導致熱油飛濺。氣泡和油麵的相互作用是一個非常複雜的現象，有待我們深入研究。
總之，這項研究證明了不同的氣泡分類有不同的聲學特徵（幅度、基頻和持續時間），這意味著這些油鍋里的氣泡在聲音上是可以被區分的。可能不久以後，我們就能見到科學家們開發出聲學感測器，通過檢測油鍋發出的高頻噪音，幫助判定是否有濺射小油滴的產生。研究者也希望，對三種狀態進行分類可能有助於理解炸東西時產生的更大液滴，使得廚房新手不用再害怕四處飛濺的油沫，讓烹飪變得更安全，並防止火災意外的發生。
參考鏈接：https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0088065
