冻结肥皂泡的“雪景球效应”,有了科学解释

冻结肥皂泡的“雪景球效应”,有了科学解释

首页休闲益智肥皂大解谜更新时间:2024-04-19

你很可能在YouTube网站上看到过这样一个“魔性”视频:冻结的肥皂泡像雪花一样在雪景球中飞舞。实际上,这种惊人的效果源于一种常见的流体力学现象。zmescience.com网站6月18日报道,美国弗吉尼亚理工大学的研究人员在最近出版的《自然》杂志中对雪景球中飞舞的冰冻肥皂泡进行了解密。他们在实验室中重现了“雪景球效应”,并用高速摄像机对肥皂泡的情况进行了全程监控。

通常情况下,室外温度低至冰点,水坑里面的水会从温度最低的地方开始结晶(即水坑接触到冰雪的部分),新形成的冰逐渐冻结其附近的水分子,并最终形成冻结的水坑。然而,如果在低温容器中冻结肥皂泡,情况就完全不同了。最初,肥皂泡的冻结符合一般情况。随后,肥皂泡表面很快就遍布数百条“冻结锋”,冻结锋在肥皂泡表面随机出现,甚至会移动,从而导致“雪景球效应”的产生。

研究人员在实验中发现了两种不同的冻结方式。第一种是研究人员在冷冻室的低温环境下,将大量肥皂泡冷却到零下20摄氏度时发现的——这种绚丽的肥皂泡结晶现象与流体力学中的马朗格尼效应(Marangoni flow)有关:当流体需要从低表面张力区域流向高表面张力区域,或者在界面处由高温区域流向低温区域时就会产生马朗格尼效应。肥皂泡冻结时,气泡中仍是液体的部分开始移动,并在移动过程中“搅动”冰晶。每个冰晶都会导致局部冻结,从而加速肥皂泡的冻结过程。

第二种肥皂泡冻结方式是在室温下记录的。研究人员将肥皂泡吹向冰块,随后发生的事情就与前面的情景大不相同了。肥皂泡与冰接触的部分冻结了,剩下部分则保持液态。随后,半液体半冻结的肥皂泡就在室内的暖空气中漂浮起来了。随着空气从冰封的肥皂泡中渗出,肥皂泡就破裂了。

尽管对大多数读者来说,现在还是炎热的夏天,但在下次下雪时完全可以自己试试动手制造类似“雪景球效应”的效果。读者们需要的只是肥皂等简单物品和丰富的想象力。如果读者想尝试其他很酷的马朗格尼效应实验,可以尝试这样一个简单操作:下雪天,将牛奶(脂肪含量较高的更好)和食用色素倒进浅底容器中,然后滴加一滴肥皂液或酒精,接下来就等待炫酷场面的出现吧。

原创编译:雷鑫宇 审稿:alone 责编:唐林芳

期刊来源:《自然》

期刊编号:0028-0836

原文链接:https://www.zmescience.com/science/news-science/freezing-soap-bubbles-005432/

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