@ 2018.09.05 , 14:00

数学家告诉你怎么吹泡泡才绝不会失败

一支数学家组成的团队已经设计出了可以吹出完美的肥皂泡的最精确的程序,而且这不仅仅是为了娱乐和嬉戏。其中的机理可以用到改良商业喷雾和泡沫的工业生产中,例如剃须膏或Reddi-Wip——几乎任何涉及液滴或泡沫的产品。

泡泡长期以来一直就是严肃的科学研究对象。早在19世纪,比利时物理学家Joseph Plateau概述了四种基本的表面张力定律,它们决定了肥皂膜的结构。表面张力是气泡呈圆形的原因;对于给定的体积,该形状具有最小的表面积,因此它需要最少的能量来维持。(当重力在一个被称为粗化的过程中向下拉扯液体时,形状看起来更像是一个足球而不是完美的球体。)美国的植物学家Edwin Matzke在20世纪40年代在实验室中手工制造泡泡,一个接一个,为了便于检查它们的结构。

更近一点的,爱尔兰数学家在1994年使用计算机建模来确定可用于最有效填充的最佳几何形状的气泡,而其他科学家则使用强大的声波来悬浮在半空中的泡泡。2006年,哈佛大学的科学家们发现,在发泡剂混合物中添加微小的胶体颗粒就会产生一种涂层或盔甲,使泡泡更稳当坚固,可以随意重塑和模塑。甚至可以在体内构建基于微流体泡沫的逻辑设备来运输治疗药物或化学试剂。

数学家告诉你怎么吹泡泡才绝不会失败

完美地吹泡泡

就在两年前,法国物理学家建立了一个理论模型,用于确定在空气吹肥皂泡时,泡泡的形成机制。他们用三英尺长的加重钓鱼线来测试他们的模型。他们先把钓鱼线折成两段,并拢在一起,然后小心翼翼地将肥皂溶液(Dawn洗洁精溶解在普通自来水中)滴到鱼线上,这样受液体张力影响,两段鱼线贴的更加紧密。轻轻分开并在一起的鱼线,两段之间就形成了薄薄的肥皂膜。然后,他们用鼓风机向肥皂膜送风,用高速摄像机拍摄泡泡形成的过程。

“我们现在可以准确地说出制造泡泡所需的风速。”

结果:需要一定的空气流动速度才能形成泡泡,而具体的下限风速又取决于空气射流的宽度。如果射流较宽,则形成泡泡的风速阈值较低,并且这些泡泡将大于较窄的射流产生的泡泡。

在《物理评论快报》的一篇新论文中,纽约大学应用数学实验室的数学家根据与肥皂薄膜类似的实验进一步调整了完美泡泡的诀窍。 “我们现在可以确切地说出鼓出肥皂膜并使其形成泡泡所需的风速,以及这种速度如何被工具大小等参数制约。”共同作者Leif Ristroph说。

答案是:你想要一个周长1.5英寸的圆形工具,你应该以6.9厘米/秒的速度轻轻地吹。以更高的速度吹,气泡会破裂。使用更小或更大的工具,或者泡泡会变小,或者根本不会形成泡泡。

Ristroph和他的同事们还发现,你可以在肥皂膜上用强劲,稳定的吹风,或者在肥皂膜上轻轻地吹一阵,然后减慢但不要停止吹风。后者是大多数孩子吹泡泡的方式,而第一种方法是街头表演者在城市公园或科学示范中所青睐的方法。 Ristroph说:“他们用绳索环绕成吹泡泡的工具,用足够快的速度走路,空气的相对运动提供鼓出肥皂薄膜所需的风力。”

本文译自 arstechnica,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


给这篇稿打赏,让译者更有动力 !
支付宝打赏 [x]
您的大名: 打赏金额:

0.0
赞一个 (4)

24H最赞