几乎没有哪个孩子不喜欢玩肥皂泡。
那些圆圆的小气泡在天空飞舞,在阳光的照射下变幻七彩的光。孩子们快乐地追逐它们,用手指触碰它们,每当“抓住”一个泡泡,他们都会发出银铃般的欢笑声。
孩子们喜欢玩泡泡
不知道你注意过没有,当我们的手指触碰到肥皂泡的瞬间,它往往会立刻破裂,并且发出“啪”的一声响。这到底是为什么呢?这中间涉及到一些物理学原理。
肥皂泡的物理学当我们谈到物体的最小表面积这类复杂数学问题时,常常会用到肥皂泡来做例子。通常情况下我们可以认为肥皂泡由于内部与外部压力相等,所以它表面的平均曲率为零。
事实上,肥皂泡内外压力是存在差异的,它内部的压力要更大一些,类似于一个气球,这也是那层肥皂膜得以存在的真正原因。
肥皂泡表面受力分析
所以,当我们对一个肥皂泡进行力的分解时,就会发现在任何一个肥皂泡上至少存在以下几个力:外部空气向内的压力、内部空气向外的压力、肥皂膜的表面张力、地球的引力以及肥皂泡的浮力。
在这些力中,表面张力起着关键作用,它维持着肥皂泡内外压力的平衡,也决定了泡泡的内部压力总是大于外部压力。作用于肥皂泡表面的压力差被称为拉普拉斯压力,计算这个压力差有一组复杂公式,它与肥皂泡的大小、膜厚度、温度以及液体的性质等等相关。
破裂的瞬间肥皂泡的生命是短暂的,一方面组成泡泡的液体受到重力影响会不停地向下运动,这导致本来只有微米厚度的肥皂膜的上方变得更薄,最终它的张力无法平衡拉普拉斯压力;与此同时,泡泡的液体会不停蒸发,这也会使它越来越薄,最后破裂。
当我们用干燥的手指触碰到肥皂泡的表面时,也会导致接触点位置的膜发生破裂。这是因为我们在接触泡泡的瞬间向它传递了能量,这会破坏泡泡表面力的平衡;另一方面,皮肤的表面的油脂与肥皂膜的化学反应也是泡泡破裂的原因之一。
手指触碰的能量足以使肥皂膜破裂
破裂的力学我们在前边说过,肥皂泡内外的压力是不同的,由于肥皂膜的张力作用,泡泡内部的压力总是大于外部的压力。这样当泡泡破裂时,里边的空气会冲出来,空气的膨胀会发出响声。
但这并不是我们听到的主要声音。因为肥皂膜产生的张力非常弱,由此对应的拉普拉斯压力也很小,空气膨胀是有限的。
通过对肥皂泡破裂过程高速摄影的分析,我们也能印证这一点:肥皂膜的小液滴并没有被内部压力冲得四散开来,它们的运动轨迹是由于残余张力造成的切线运动,并且大体上保持泡泡的形状。