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本文来自窗敲雨的个人微信公众号“酷炫科学”

你观察过水池中、咖啡杯里的泡沫吗?无论开始状态如何,静置一段时间之后,泡泡们总是会倾向于变成两种状态:要么聚在一起,要么贴在边上,这是为什么呢?

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其实,很多漂在水面上的小尺寸物体都会出现容易聚集在一起的倾向,这种现象通常被叫做“谷物圈效应”(cheerios effect),因为泡在早餐牛奶里的谷物圈也会这样。

总的来说,这种现象源于弯曲的液面,以及漂浮小物体们在垂直方向的受力,而具体来说,还要分两种情况讨论。

小物体漂浮在水面上的情况有两种,第一种是像小气泡这样,浸没在水中被浮力托起;而第二种是像小心翼翼地平放在水面上的曲别针、硬币这样,它们不是因为浮力漂浮,而是被表面张力托住了。在这两种情况下,小物体附近的液面都会出现弯曲,如下图所示,第一种液面在物体附近升高,第二种则是降低。

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先来看小气泡的情况,受到浮力的作用,小气泡总是会倾向于到液面最高的地方去,而正是这种特性使得小气泡们看起来会互相吸引——因为其他小气泡附近的液面总是会比基线高一点。

而同样的理由也可以解释泡沫为什么在咖啡杯里贴着边。杯子很多都是玻璃或者陶瓷材质的,这些材料的表面和水的亲和力好,因此在贴着边的位置,液面也会比其他地方高一点(见下图)。因此,想要尽量上浮的小气泡也会聚集在这里。

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而曲别针、硬币之类依靠表面张力漂浮的小物体,它们的情况是相反的。这些小物体把局部的液面压低了一些,并且在重力的作用下,它们会倾向于滑向液面最低的地方。因此,当两个水面上的硬币相遇时,它们也会彼此靠近:因为物体附近的液面更低一些,聚在一起能帮助它们呆在液面最低的地方。

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由此可见,两种情况下漂浮的小物体都会倾向于彼此聚集,不过它们聚集的原因不太相同。而如果小气泡这类靠浮力漂浮的物体遇到硬币这类靠表面张力漂浮的物体,则它们不会聚集在一起,反而会彼此远离(见下图)。

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至于漂浮的小物体是否会贴边,也取决于贴近容器的地方液面弯曲方向与小物体是否相合。比如说亲水的玻璃容器里小气泡会贴边,而硬币不会,而如果用超疏水材料处理容器,则情况会整个反过来。

虽然是生活中很普通的现象,原理讲起来也并不复杂,不过这种“谷物圈现象”也有很长一段时间并没有人深入地进行过讨论。本文中的解释都来自前几年的一篇论文,其中有非常详尽的讨论和计算,有兴趣可以在这里了解更多:https://arxiv.org/pdf/cond-mat/0411688.pdf

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2 Responses to “泡泡为什么总是在一起?”

  1. 莱因哈特说道:

    每次都要把聚在一起的泡沫打散,然后他们就又聚在一起,原来是这个原因,以后不费劲干打散这事了。唉,学科学治强迫症......

  2. 匿名说道:

    也就是说,硬币周围不会有泡泡?