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为什么窄管中的气泡不会上升?一名瑞士学生解决了百年物理难题

2024-11-03 213


如果你把试管填满水,会发现试管里有些小气泡不会上升到水面。百年来,科学家一直没弄懂为何气泡在狭窄直管会“卡住”,直到现在,一名就读瑞士洛桑联邦理工学院的学生可能解决了这道谜题。

一杯水如果有气泡,会立刻窜升到水面(可以拿起你手边的矿泉水摇一摇观察),背后机制很容易解释,但相同的科学定律却无法解释为什么在几毫米宽的试管中,气泡不会以相同方式上升到水面。

物理学家大约在一个世纪前首次观察到这种现象,现有理论认为气泡应该不会受到任何阻力,不该“卡在”管壁上。虽然 1960 年代时,有科学家根据气泡形状开发出公式来解释,此后其他研究人员假设气泡不会上升,是因为气泡与管壁之间形成一层液体薄膜,但理论依然有不足之处。

洛桑联邦理工学院(EPFL)Wassim Dhaouad 现在首次以实验证据验证了这项早期理论。Wassim Dhaouad 不仅看见气泡外的液体薄膜,还测量并描述了薄膜性质:根据观察,气泡周围形成一层超薄液体膜阻止气泡上升,但实际上气泡没有被卡住,只是移动得非常缓慢,肉眼看不出来。

利用光学干涉法进一步测量薄膜,研究人员发现薄膜仅数 10 奈米厚,因此产生很强的流体流动阻力,大幅减缓气泡上升速度。此外,Wassim Dhaouad 还发现如果将热量施加到气泡,则薄膜会改变形状,热量消失后薄膜又会恢复原形。

这些发现攸关流体力学奈米范围方面的基础研究,并终于解决困扰物理学家长达百年的难题。新论文发表在《物理评论─流体力学》(Physical Review Fluids)期刊。

  • Student solves a 100-year-old physics enigma

(首图来源:pixabay)

2019-12-05 19:20:00

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