咖啡杯裡的泡沫為什麼總喜歡黏在一起?

科學人窗敲雨2017-12-08 10:06:01

你觀察過水池中、咖啡杯裡的泡沫嗎?無論開始狀態如何,靜置一段時間之後,泡泡們總是會傾向於變成兩種狀態:要麼聚在一起,要麼貼在邊上,這是為什麼呢?



其實,很多漂在水面上的小尺寸物體都會出現容易聚集在一起的傾向,這種現象通常被叫做“穀物圈效應”(cheerios effect),因為泡在早餐牛奶裡的穀物圈也會這樣。


總的來說,這種現象源於彎曲的,以及漂浮小物體們在垂直方向的受力,而具體來說,還要分兩種情況討論。


小物體漂浮在水面上的情況有兩種:

第一種是像小氣泡這樣,浸沒在水中被浮力托起;而第二種是像小心翼翼地平放在水面上的曲別針、硬幣這樣,它們不是因為,而是被表面張力托住了。

在這兩種情況下,小的液麵都會出現彎曲,如下圖所示,第一種液麵在物體附近升高,第二種則是降低。



先來看小氣泡的情況,受到浮力的作用,小氣泡總是會傾向於到液麵最高的地方去,而正是這種特性使得小氣泡們看起來會互相吸引——因為其它小氣泡附近的液麵總是會比基線高一點。


而同樣的理由也可以解釋泡沫為什麼在咖啡杯裡貼著邊。杯子很多都是玻璃或者陶瓷材質的,這些材料的表面和水的親和力好,因此在貼著邊的位置,液麵也會比其他地方高一點(見下圖)。因此,想要儘量上浮的小氣泡也會聚集在這裡。



而曲別針、硬幣之類依靠表面張力漂浮的小物體,它們的情況是相反的。


這些小物體把局部的液麵壓低了一些,並且在重力的作用下,它們會傾向於滑向液麵最低的地方。


因此,當兩個水面上的硬幣相遇時,它們也會彼此靠近:因為物體附近的液麵更低一些,聚在一起能幫助它們呆在液麵最低的地方。



由此可見,兩種情況下漂浮的小物體都會傾向於彼此聚集,不過它們聚集的原因不太相同。


而如果小氣泡這類靠浮力漂浮的物體遇到硬幣這類靠表面張力漂浮的物體,則它們不會聚集在一起,反而會彼此遠離(見下圖)。



至於漂浮的小物體是否會貼邊,也取決於貼近容器的地方液麵彎曲方向與小物體是否相合。比如說親水的玻璃容器裡小氣泡會貼邊,而硬幣不會,而如果用超疏水材料處理容器,則情況會整個反過來。


雖然是生活中很普通的現象,原理講起來也並不複雜,不過這種“穀物圈現象”也有很長一段時間並沒有人深入地進行過討論。


本文中的解釋都來自前幾年的一篇論文,其中有非常詳盡的討論和計算,有興趣可以點擊文末“閱讀原文”瞭解。

題圖來源:123rf.com.cn正版圖庫


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本文來自“酷炫科學”

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