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吹肥皂泡是人們再熟悉不過的童年游戲了，伴隨著一陣陣歡笑，孩子們撅起的小嘴吹出一個接一個輕靈的肥皂泡，陽光下五顏六色的泡泡隨風飄散。這樣熟悉的場景，是否也會勾起你的美好回憶？ 吹泡泡的過程能體現很多物理學規律，比如說表面張力的作用，但是這個人們無比熟悉的現象，之前卻沒有得到過量化的物理學研究。吹起一個泡泡，到底要用多大力氣？現在，來自法國的幾位物理學家為了我們揭開了這個問題的答案。他們在實驗室里搭建起儀器，在嚴格控制變量的條件下對吹泡泡的過程進行了一番詳細研究，并且頭一次為它建起了數學模型，還把結果寫成論文，發表在了2月19日的《物理評論快報》（Physics Review Letter）上[1]。這篇論文也道出了輕松吹泡泡的秘訣：用粗管子吹，或者說，選一個面積大一點的工具形成液膜。 物理學家的泡泡機肥皂泡只要抄起泡泡水和吹管就能吹出來，但搞科研可沒這么簡單。用嘴吹泡泡很難保證氣流均勻，肥皂泡膜的厚度不容易保持穩定，這變量要是控制不好，還怎么愉快地做實驗？所以，研究者們要做的第一件事就是搭起一臺足夠精準穩定的吹泡泡機。 為了讓肥皂泡膜保持穩定，研究者在產生肥皂膜的裝置頂端安裝了一臺微型泵，從而使肥皂膜中的液體保持循環流動。通過對泵的調節，既可以使肥皂膜長期保持穩定，又可以根據需要調整肥皂膜的厚度，可謂一舉兩得。通過這套裝置可以產生一個垂直于地面方向，寬度與高度可調節，并且最高可超過1米的大型肥皂膜。
肥皂膜穩定性的問題解決了，下一步就是通過控制氣流的流速吹肥皂泡了。研究者緊貼著肥皂膜的表面放置了一個圓形的噴管向液膜吹氣，并架好高速攝像儀，記錄下整個過程。 氣流與表面張力的“拉鋸戰”研究者們發現，當氣體流速較低時，液膜只會微微地凹陷，并不會產生氣泡。隨著氣體流速的不斷提高，凹陷會不斷加深，在達到臨界值之后，圓圓的氣泡就能脫離液膜飛走了。
而這個氣流速度臨界值的大小，則完全取決于吹管的尺寸：用粗管子吹，只需要較慢的氣流就夠了，而較細管子就需要更急促的氣流才能吹得起來。至于液膜厚度和所用氣體的種類，則不會對臨界值造成影響。 這背后的物理原理是什么呢？其實，吹泡泡的過程就是表面張力與氣流壓力之間的一場“拉鋸戰”。 在吹氣泡時，液膜上會首先形成凹陷，這也就意味著局部的液膜表面變彎了（曲率變大）。液膜的表面張力為了抗拒曲率變大，會像被拉開的彈簧一樣，竭力把液膜拉回到初始的平滑狀態。此時，唯一施加的外力——吹氣產生的氣流壓力，在這一過程中就扮演了重要的角色。 研究者解釋說，吹肥皂泡實際上就是氣體施加的壓力與液膜表面張力之間的競爭。當氣流施加的壓力增大到足以使液膜凹陷為半球狀，并且半球的直徑與噴管的直徑相同時，此時，曲率半徑達到最大，凹陷的液膜將掙脫表面張力的束縛，形成完整的肥皂泡脫離液膜。這一刻，就是我們童年時光吹出肥皂泡時歡樂的瞬間。 為了與現實更加貼近，研究者們還對噴嘴與液膜不同距離、以及管徑與液膜寬度不同比例下的情形進行了研究。發現當氣流的寬度大于液膜寬度時，吹出氣泡時的氣流臨界速度只由液膜的寬度所決定。也就是說，當我們離起泡桿較遠時吹氣，起泡桿的面積越大，越容易吹出泡泡；面積越小，則難度越大。 研究出肥皂泡背后的形成機制，將幫助人們更好地理解并解決某些工業過程中遇到的問題，例如發泡產品的生產、玻璃制造以及液體涂料的使用等。當然，作為人們日常生活中最尋常的一個經驗，了解吹肥皂泡背后的物理機制本身也足以讓人們的好奇心得到滿足了。（編輯：窗敲雨） 表面張力的作用在不同的“彎曲度”可以產生相當不同的影響，在浮游生物：游得夠快，才能做“出水芙蓉”一文中可以看到另一個典型的例子。
參考資料：
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研究者設計制造的肥皂膜研究設備，圖片來自原論文
氣流速度未達到臨界值（上）和達到臨界值后（下）。原視頻來自論文
