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為什麼窄管中的氣泡不會上升?一名瑞士學生解決了百年物理難題

(首圖來源:pixabay)
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【文‧Emma stein】

如果你把試管填滿水,會發現試管裡有些小氣泡不會上升到水面。百年來,科學家一直沒弄懂為何氣泡在狹窄直管會「卡住」,直到現在,一名就讀瑞士洛桑聯邦理工學院的學生可能解決了這道謎題。

一杯水如果有氣泡,會立刻竄升到水面(可以拿起你手邊的礦泉水搖一搖觀察),背後機制很容易解釋,但相同的科學定律卻無法解釋為什麼在幾公釐寬的試管中,氣泡不會以相同方式上升到水面。

物理學家大約在一個世紀前首次觀察到這種現象,現有理論認為氣泡應該不會受到任何阻力,不該「卡在」管壁上。雖然 1960 年代時,有科學家根據氣泡形狀開發出公式來解釋,此後其他研究人員假設氣泡不會上升,是因為氣泡與管壁之間形成一層液體薄膜,但理論依然有不足之處。

洛桑聯邦理工學院(EPFL)Wassim Dhaouad 現在首次以實驗證據驗證了這項早期理論。Wassim Dhaouad 不僅看見氣泡外的液體薄膜,還測量並描述了薄膜性質:根據觀察,氣泡周圍形成一層超薄液體膜阻止氣泡上升,但實際上氣泡沒有被卡住,只是移動得非常緩慢,肉眼看不出來。

利用光學干涉法進一步測量薄膜,研究人員發現薄膜僅數 10 奈米厚,因此產生很強的流體流動阻力,大幅減緩氣泡上升速度。此外,Wassim Dhaouad 還發現如果將熱量施加到氣泡,則薄膜會改變形狀,熱量消失後薄膜又會恢復原形。

這些發現攸關流體力學奈米範圍方面的基礎研究,並終於解決困擾物理學家長達百年的難題。新論文發表在《物理評論─流體力學》(Physical Review Fluids)期刊。

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