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        物理1

        2020-05-14 13:37:25ChenyuZHU
        課堂內(nèi)外(高中版) 2020年3期
        關(guān)鍵詞:管壁杯子氣泡

        ChenyuZHU

        可樂氣泡新發(fā)現(xiàn):困擾科學(xué)家上百年的秘密,被一個本科生破解了

        天天喝碳酸飲料,天天看杯子里“咕嚕咕?!鄙细〉臍馀?,卻從沒想過在氣泡這件小事上,竟然有一個困擾了科學(xué)家們一個世紀的問題。然而,這個問題卻被一個本科生給破解了,真想請他收下我的膝蓋。

        先來回憶一下我們喝“肥宅快樂水”時的情景。將一罐可樂倒入杯中,杯子里“嘭嘭嘭”地產(chǎn)生了許多氣泡,隨后,氣泡慢慢浮到水面上。這個現(xiàn)象用物理原理解釋就是氣泡的密度小于可樂的密度,于是水給氣泡的浮力大于氣泡的重力,導(dǎo)致氣泡向上運動。

        不過請注意,這里的杯子是普通杯子,你家我家大家都有的杯子。但如果是一個不普通的杯子,比如,細成一根吸管的杯子呢?

        100年前,就有科學(xué)家發(fā)現(xiàn),如果一根很細的管子里盛有液體,那么里面的氣泡就不會往上浮動。但至于為什么會產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象,就成了困擾科學(xué)家們一個世紀的問題。

        其實很早以前,就有人嘗試摘下破解這個問題的勝利果實。上世紀60年代,一位名叫Bretherton的物理學(xué)家第一個嘗試對這個反常的現(xiàn)象作出解釋。因此這個問題也被稱為“Bretherton問題”。

        Bretherton假設(shè)在細管中的氣泡周圍包裹著一層非常薄的液體薄膜,它薄到我們的肉眼觀察不到。這個液體薄膜會和管壁接觸,當浮力想讓氣泡往上漂浮時,便會產(chǎn)生摩擦阻力,當重力、浮力、摩擦力平衡以后,氣泡便靜止不動了。然而理論再漂亮,也需實驗的支持。為了在實驗上觀察到液體薄層的存在,Bretherton設(shè)計了一個實驗裝置嘗試觀測它。然而實驗數(shù)據(jù)和理論的預(yù)測完全不符,假設(shè)失敗了。

        科學(xué)家們并沒有停止好奇心,可即便他們在后續(xù)的各種實驗中絞盡腦汁,設(shè)計了各種復(fù)雜的實驗裝置,卻都未能發(fā)現(xiàn)液體薄膜的存在。

        然而最近,這個困擾了無數(shù)科學(xué)家一個世紀的難題,竟然被一個本科生給破解了。在瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院柔性界面工程力學(xué)實驗室實習(xí)的本科生Wassim設(shè)計了一個新的實驗裝置,發(fā)現(xiàn)了這種液體薄膜的存在。

        他和實驗室負責(zé)人Kolinski使用了一束光,照在樣本上,然后又使用了一種定制的干涉顯微鏡測量反射回來的干涉光。物理課本告訴我們,光在通過不同介質(zhì)的界面時,會反射一部分回來,因此,光在通過管壁與薄膜、薄膜與氣泡這兩個界面時都會反射一部分,但由于通過薄膜與氣泡界面反射回來的光,相比前者多走了薄膜兩倍寬的距離,于是這反射回來的兩束光就會有一個相位差,因此它們會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

        根據(jù)這個實驗原理,他們倆成功測量出薄膜的厚度——大約是1納米!現(xiàn)在你該知道為什么那么多科學(xué)家做了那么多實驗都找不到氣泡上的薄膜了,因為它實在是太薄了!

        好了,難題倒是破解了。但另一個問題是,一個世紀以來的科學(xué)家們怎么都那么閑,一定要糾結(jié)于氣泡為什么在細管容器里不能浮上水面?其實破解這個問題,或許才能解釋另一個困惑了科學(xué)家們很久的問題:為什么疏松多孔的巖石中能夠存儲天然氣。

        如果天然氣在巖石中也被一層很薄的液體薄膜包圍著,那么它們確實可以附著在多孔的巖石中不上浮。Wassim還指出,當加熱管壁后,這層薄膜會逐漸消失,這或許為以后研究、開發(fā)天然氣提供了理論與技術(shù)上的指導(dǎo)。

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