肥皂泡破裂的科学原理 _肥皂泡

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。

文章插图
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。

文章插图
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。
【肥皂泡破裂的科学原理】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?。詈笃屏?。
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。

文章插图
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?。?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。

文章插图
小液滴的运动轨迹
由于肥皂膜表面的应力平衡被打破，组成气泡壁的薄膜开始沿着原先的形状边界往回缩，那些还没飞溅出去的液体在破口边缘形成一圈厚厚的膜，这一圈膜会越来越厚、越收越小，最后汇聚成一个液滴。

文章插图
泡泡破口边缘会形成一圈厚膜
泡泡破裂的过程非常快，由于它本身的尺寸就小，因此肥皂膜的液体圈圈收拢撞击的速度常常会高于音速，由此产生一次小的音爆。
于是我们听到“啪”的一声。
实际上，当乳胶气球破裂时，它的碎片收缩撞击在一起时的速度也会超过音速，我们听到的气球响亮的爆裂声也是音爆的声音。

文章插图
超音速液滴撞击在一起发出音爆
总结：
孩子们追逐泡泡、用嘴吹它、用小手捏破它，孩子们很快乐。
但物理学家们却希望从这些平常的现象中探寻科学真理，他们用高速摄像机拍摄肥皂泡破裂的过程，用录音机录下爆破的声音进行分析。最后发现那“啪”的一声实际上是响了两次：
在我们手指触碰泡泡的瞬间，它发生破裂，里边的空气冲出来，发出微弱的声音；当肥皂膜的液滴最后相互撞击在一起时，它造成的冲击波形成音爆，于是发出一声响亮的：“啪”！
由于拉普拉斯压力的关系，体积越小的泡泡表面张力越大，它破裂时发出响声也更大。
泡泡破裂不是因为撕裂空气发出的声音，它主要是水滴超音速的撞击。现在，你明白了吗？

文章插图
玩泡泡，学科学