肥皂泡破裂的科學原理 _肥皂泡

幾乎沒有哪個孩子不喜歡玩肥皂泡。
那些圓圓的小氣泡在天空飛舞，在陽光的照射下變幻七彩的光。孩子們快樂地追逐它們，用手指觸碰它們，每當“抓住”一個泡泡，他們都會發出銀鈴般的歡笑聲。

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孩子們喜歡玩泡泡
不知道你注意過沒有，當我們的手指觸碰到肥皂泡的瞬間，它往往會立刻破裂，并且發出“啪”的一聲響。這到底是為什么呢？這中間涉及到一些物理學原理。
肥皂泡的物理學
當我們談到物體的最小表面積這類復雜數學問題時，常常會用到肥皂泡來做例子。通常情況下我們可以認為肥皂泡由于內部與外部壓力相等，所以它表面的平均曲率為零。
事實上，肥皂泡內外壓力是存在差異的，它內部的壓力要更大一些，類似于一個氣球，這也是那層肥皂膜得以存在的真正原因。

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肥皂泡表面受力分析
所以，當我們對一個肥皂泡進行力的分解時，就會發現在任何一個肥皂泡上至少存在以下幾個力：外部空氣向內的壓力、內部空氣向外的壓力、肥皂膜的表面張力、地球的引力以及肥皂泡的浮力。
在這些力中，表面張力起著關鍵作用，它維持著肥皂泡內外壓力的平衡，也決定了泡泡的內部壓力總是大于外部壓力。作用于肥皂泡表面的壓力差被稱為拉普拉斯壓力，計算這個壓力差有一組復雜公式，它與肥皂泡的大小、膜厚度、溫度以及液體的性質等等相關。
【肥皂泡破裂的科學原理】破裂的瞬間
肥皂泡的生命是短暫的，一方面組成泡泡的液體受到重力影響會不停地向下運動，這導致本來只有微米厚度的肥皂膜的上方變得更薄，最終它的張力無法平衡拉普拉斯壓力；與此同時，泡泡的液體會不停蒸發，這也會使它越來越?。詈篤屏?。
當我們用干燥的手指觸碰到肥皂泡的表面時，也會導致接觸點位置的膜發生破裂。這是因為我們在接觸泡泡的瞬間向它傳遞了能量，這會破壞泡泡表面力的平衡；另一方面，皮膚的表面的油脂與肥皂膜的化學反應也是泡泡破裂的原因之一。

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手指觸碰的能量足以使肥皂膜破裂
破裂的力學
我們在前邊說過，肥皂泡內外的壓力是不同的，由于肥皂膜的張力作用，泡泡內部的壓力總是大于外部的壓力。這樣當泡泡破裂時，里邊的空氣會沖出來，空氣的膨脹會發出響聲。
但這并不是我們聽到的主要聲音。因為肥皂膜產生的張力非常弱，由此對應的拉普拉斯壓力也很?。?空氣膨脹是有限的。
通過對肥皂泡破裂過程高速攝影的分析，我們也能印證這一點：肥皂膜的小液滴并沒有被內部壓力沖得四散開來，它們的運動軌跡是由于殘余張力造成的切線運動，并且大體上保持泡泡的形狀。

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小液滴的運動軌跡
由于肥皂膜表面的應力平衡被打破，組成氣泡壁的薄膜開始沿著原先的形狀邊界往回縮，那些還沒飛濺出去的液體在破口邊緣形成一圈厚厚的膜，這一圈膜會越來越厚、越收越小，最后匯聚成一個液滴。

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泡泡破口邊緣會形成一圈厚膜
泡泡破裂的過程非常快，由于它本身的尺寸就小，因此肥皂膜的液體圈圈收攏撞擊的速度常常會高于音速，由此產生一次小的音爆。
于是我們聽到“啪”的一聲。
實際上，當乳膠氣球破裂時，它的碎片收縮撞擊在一起時的速度也會超過音速，我們聽到的氣球響亮的爆裂聲也是音爆的聲音。

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超音速液滴撞擊在一起發出音爆
總結：
孩子們追逐泡泡、用嘴吹它、用小手捏破它，孩子們很快樂。
但物理學家們卻希望從這些平常的現象中探尋科學真理，他們用高速攝像機拍攝肥皂泡破裂的過程，用錄音機錄下爆破的聲音進行分析。最后發現那“啪”的一聲實際上是響了兩次：
在我們手指觸碰泡泡的瞬間，它發生破裂，里邊的空氣沖出來，發出微弱的聲音；當肥皂膜的液滴最后相互撞擊在一起時，它造成的沖擊波形成音爆，于是發出一聲響亮的：“啪”！
由于拉普拉斯壓力的關系，體積越小的泡泡表面張力越大，它破裂時發出響聲也更大。
泡泡破裂不是因為撕裂空氣發出的聲音，它主要是水滴超音速的撞擊。現在，你明白了嗎？

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玩泡泡，學科學