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界面上的世界之十二——泡沫是如何破灭的

(2008-01-18 05:20:40)
标签:

知识/探索

教育

分类: 案头之山水
 

前面以老辛为道具说了所有的泡沫和乳液最终都是要破的(没有不老的红颜),而人们所能作的是调控这个过程的发生(老辛的音容多年轻啊)。对于泡沫来说,有时候希望延缓泡沫的破灭,最典型的是卡布奇诺上的泡沫;有时候希望加速泡沫的破灭,比如煮豆浆的时候产生的泡沫。要让泡沫按照人们的希望生存或者灭亡,不能依靠美好的愿望或者臆想,(老辛延缓衰老不靠求神拜佛也不吃鳖精灵芝之类),而需要按照泡沫破灭的机理“对症下药”(老辛的保养“秘方”比那些邪乎无效的方法便宜多了)。

不难想象(或者看看前面那篇《让我们一起看泡泡》),当两个泡泡靠在一起,互相挤压谁也不会占到便宜,最后是在中间形成一层水膜。如果三个泡泡挤到一起呢,三者交界的地方会形成一条边,前面说了这条边叫做Plateau边。实际的泡沫是大量泡泡挤在一起,最后没有一个泡泡还能够保持原样,全都被挤压成了多面体,而任意三个凑在一起的多面体都会形成Plateau边。

现在我们来仔细看看Plateau边的横截面,放大之后就是下面图中的样子。蓝色部分是三个泡泡交界的地方,红色部分是两个泡泡所形成的水膜。其他部分是泡泡中的空气。红色部分和蓝色部分实际上是连在一起的,但是红色部分的表面是平的,根据前面有一篇提到的拉普拉斯公式,在红色部分,空气中的压强和水膜中是一样的;但是在蓝色部分,表面是凹向水中的,所以水中的压强小于空气中的。而同一个泡泡中各个地方的压强是相同的(不然就起风了),所以这种形状导致的后果就是红色部分的压强要高于蓝色部分的。水往低处流的结果,水膜中的液体不停地流到Plateau边里,水膜也就越来越薄。薄到一定地步,水膜就很容易破灭。只要一面水膜破了,这个泡泡也就破了。

界面上的世界之十二——泡沫是如何破灭的

实际上的泡沫中都有表面活性剂的存在。表面活性剂呆在水膜的表面上,它们深知“皮之不存,毛将焉附”的道理,拼命抵制水膜中的水流失(是不是有点像种树保持水土?)。从物理的角度来说,是两个表面上的表面活性剂互相排斥,相当于减小了水膜中的压强,从而实现了水膜中的压强和Plateau边中的压强的平衡。水膜不再进一步变薄,算是暂时避免了“膜将不膜”。

没事干的人可以计算一下水膜的体积和Plateau边的体积,(当然需要一些别的几何参数,大家还是别算了——算起来挺费事儿,已经有前人算过,云无心无聊的时候也检验过前人的计算)会发现一般的泡沫中前者的体积不超过总体积的百分之几。也就是说,泡沫中的水大部分都集中到了Plateau边中。不知道大家还记不记得没事的时候喜欢看泡泡的那个Plateau总结出来的定律,四条Plateau边会凑在形成一个节点,所有的Plateau边都通过这样的节点互相连接,从而形成了一个互相连接的网络。网络中的水在重力的作用下往下流,这就是为什么所有的泡沫都是上面变得越来越干,而下面的水越积越多。这个过程就叫做泡沫的脱水。

再回到暂时避免了灭顶之灾的水膜。在表面活性剂的作用下,水膜暂时避免了灭顶之灾。要让表面上的分子老老实实呆着也不现实,总有些分子到处乱晃,结果就是水膜表面起起伏伏(俗话说无风不起浪,但是自然界总有各种扰动,所以“浪”总还是会起的)。水膜的两个表面毕竟离得不远,两个表面都起起伏伏,起伏的方向总不可能是一顺儿的,只要有一个地方起伏得“针锋相对”,两边的空气就实现会师,这个水膜也就破了。

 

知道了泡沫是怎么破的,就可以对症下药,加速或者延缓泡沫的破灭了。老辛曾经观察到了加盐可以导致泡沫的破灭,完全符合泡沫破灭的机理。至于盐如何导致泡沫破灭,当时回答老辛的提问时已经说了要点,下次再和其它的破灭机理一起详细解释。

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