据外媒报道,近日研究人员通过在-20℃的冷冻室中进行的实验,揭秘了宛如雪花球的冻结肥皂泡的YouTube热门视频背后的科学。冻结的肥皂泡是一种独特的冬日魔法,这本身也是一个受欢迎的冬季科学实验,其在视觉上也令人惊叹

www.602.net 1你很可能在YouTube网站上看到过这样一个“魔性”视频:冻结的肥皂泡像雪花一样在雪景球中飞舞。实际上,这种惊人的效果源于一种常见的流体力学现象。zmescience.com网站6月18日报道,美国弗吉尼亚理工大学的研究人员在最近出版的《自然》杂志中对雪景球中飞舞的冰冻肥皂泡进行了解密。他们在实验室中重现了“雪景球效应”,并用高速摄像机对肥皂泡的情况进行了全程监控。”
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  • 但直到最近,研究人员希望弄清楚为何肥皂泡会以这种特别迷人的方式冻结。

{“type”:1,”value”:”通常情况下,室外温度低至冰点,水坑里面的水会从温度最低的地方开始结晶(即水坑接触到冰雪的部分),新形成的冰逐渐冻结其附近的水分子,并最终形成冻结的水坑。然而,如果在低温容器中冻结肥皂泡,情况就完全不同了。最初,肥皂泡的冻结符合一般情况。随后,肥皂泡表面很快就遍布数百条“冻结锋”,冻结锋在肥皂泡表面随机出现,甚至会移动,从而导致“雪景球效应”的产生。

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研究人员在实验中发现了两种不同的冻结方式。第一种是研究人员在冷冻室的低温环境下,将大量肥皂泡冷却到零下20摄氏度时发现的——这种绚丽的肥皂泡结晶现象与流体力学中的马朗格尼效应(Marangoni
flow)有关:当流体需要从低表面张力区域流向高表面张力区域,或者在界面处由高温区域流向低温区域时就会产生马朗格尼效应。肥皂泡冻结时,气泡中仍是液体的部分开始移动,并在移动过程中“搅动”冰晶。每个冰晶都会导致局部冻结,从而加速肥皂泡的冻结过程。

通常,当一滴水或水坑冻结时,它会在最冷的地方开始凝固成冰,在那里它与其他雪或冰接触。新鲜的冰冻结了邻近的水,在整个水坑中创造了一个非常有序的进展,称为冻结锋面。但是当你在一个寒冷的房间里冻结一个泡泡时,所有的有序都会迅速消失。

第二种肥皂泡冻结方式是在室温下记录的。研究人员将肥皂泡吹向冰块,随后发生的事情就与前面的情景大不相同了。肥皂泡与冰接触的部分冻结了,剩下部分则保持液态。随后,半液体半冻结的肥皂泡就在室内的暖空气中漂浮起来了。随着空气从冰封的肥皂泡中渗出,肥皂泡就破裂了。

最初小冰晶从底部冻结逐渐凝结生长,但突然之间,泡泡表面出现了数百个冻结锋面。“它有点像你在玩具雪花玻璃球_www.602.net,中看到的旋转‘雪花’。这就是为什么我们称之为雪花玻璃球效应,“Jonathan
Boreyko说道,他是一篇关于雪花玻璃球效应的新文章的合着者,该文章发表在《自然通讯》(Nature
Communications)杂志上。

尽管对大多数读者来说,现在还是炎热的夏天,但在下次下雪时完全可以自己试试动手制造类似“雪景球效应”的效果。读者们需要的只是肥皂等简单物品和丰富的想象力。如果读者想尝试其他很酷的马朗格尼效应实验,可以尝试这样一个简单操作:下雪天,将牛奶(脂肪含量较高的更好)和食用色素倒进浅底容器中,然后滴加一滴肥皂液或酒精,接下来就等待炫酷场面的出现吧。

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科界原创

Boreyko是一名机械工程师,领导着弗吉尼亚理工大学的一个实验室,专注于流体的行为

包括水坑和水滴如何冻结。当他的一些研究生想知道他们是否可以调查为什么流行YouTube视频中的肥皂泡以这些截然不同的模式冻结时,他很兴奋。“我认为这是我生命中的第一次,我可以说我的论文受到YouTube的启发,”Boreyko说道。多年来,研究生Farzad
Ahmadi和本科生Christian
Vergett定期在-20℃的冷冻室中拍摄并观察附着在固体表面的肥皂泡如何冻结。

他们最终发现雪花玻璃球效应是由一种叫做马兰戈尼流体的东西驱动的。Boreyko说道:“泡泡在冷冻室中冻结时,泡泡的静止液体部分继续移动,从生长的冻结锋面‘撕下’冰晶并将它们‘扔到’周围。这些冰晶各自形成了自己的冻结锋面,使泡泡表面冻结得更快。”

但是在一切温度相同的冷冻室里,泡泡的部分如何升温到足以产生流动?“事实证明,答案就在冻结中,”Boreyko说。“它对于不在户外的人来说非常违反直觉,但是当你冻结它时,它实际上会使它变暖。”那一点点的热量就足以让肥皂向上移动到泡泡顶部。

研究人员在室温下尝试了相同的实验,再次将泡泡吹到一块冰块上。结果大不相同。

编译:雷鑫宇

审稿:alone

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