泡泡是怎麼被吹出來的？怎樣才能吹出完美的泡泡呢？這項「老少皆宜」略帶夢幻的娛樂活動看似簡單，背後的科學卻相當複雜。科學家們對吹泡泡問題探討了近兩個世紀，直到最近，一個來自紐約大學（New York University）的研究團隊設計出了完美泡泡的「精確配方」，研究於 8 月 31 日發表在 《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

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嚴肅的「吹泡泡科學」

吹泡泡可不只是簡單的娛樂活動，在物理學界，吹泡泡長期以來都是困擾著科學家們的「嚴肅科學」。

早在 19 世紀，比利時物理學家約瑟夫·普拉托（Joseph Plateau ）就概述了四條基本的表面張力定律——普拉托定律（Plateaus laws），決定了皂液膜的結構。泡泡呈球形是由於表面張力的存在：對於給定的體積，球形具有最小的表面積，因此需要最少的能量來維持。

20 世紀 40 年代的時候，美國植物學家埃德溫·馬茨克（Edwin Matzke）在他的實驗室里手工製造泡泡，接連製作出的泡泡讓他能更好研究它們的結構。

更近一些的 1994 年，愛爾蘭都柏林大學（University of Dublin）的數學家們用計算機建模來確定最佳幾何形狀的泡泡；而德國和美國的科學家們則使用聲學懸浮，即強大的聲波使泡泡懸浮在半空中。

2006 年，哈佛大學（Harvard University）的研究人員發現，在皂液中加入微小的膠體顆粒可以產生一層「膜外膜」作為泡泡的護甲，讓產生的泡泡更穩定，並能隨意塑造形狀。麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology）的科學家們甚至構建了初步的微流體泡泡邏輯設備，用於運送治療藥物或化學試劑。

尋找完美泡泡

就在 2016 年，法國國家科學研究中心（French National Centre for Scientific Research，CNRS）和雷恩大學（University of Rennes）的洛朗·庫爾班（Laurent Courbin）和帕斯卡爾·帕尼扎（Pascal Panizza）創建出了一個理論模型，用於測定在氣流噴射到皂液膜時形成肥皂泡的機制。

為了測試這個理論模型，庫爾班、帕尼扎和同事們建造了一個大型設備，來張開足足一米高的垂直皂液膜。他們發現，只有在噴射氣流的壓力足夠大，使薄膜變形成與噴射器寬度相同的半球形「凹坑」時，才能形成泡泡。

通過一次次的吹泡泡實驗，紐約大學（New York University）庫朗數學研究所（Courant Institute）應用數學實驗室的的研究人員發現了兩種創造泡泡的方法：一種是用穩定而強勁的風推動圓形的肥皂膜來形成泡泡；另一種是將緩慢而輕柔的風注入小泡泡中，把泡泡慢慢吹大。

街頭表演就常常用到第一種方法，TA 們或者跑起來，或者快速地揮動手臂，來提供泡泡薄膜伸展需要的穩定而強勁的風。

「第二種就是我們在小時候用吸管吹泡泡的方法：先快速吹讓肥皂膜向外彎曲，形成一個小泡泡，然後即使吹動速度變慢，小泡泡也會長成大泡泡。」領導這項研究的助理教授萊夫·里斯特羅夫（Leif Ristroph）說到。

在實際的實驗中，研究人員並不是在空氣中吹肥皂泡，而是在水中 「吹油膜泡泡」：在水中利用水流推動金屬圓環張開的油膜形成泡泡。「在控制、測量和觀察流速方面，使用水而非空氣具有許多優勢，」 里斯特羅夫解釋說，「這是使實驗更順利進行的一個技巧。」

吹出完美泡泡 https://www.zhihu.com/video/1028582891281936384

在一系列吹泡泡的實驗中，懸浮在流水中的油膜被推過金屬環棒

視頻來源：Leif Ristroph

實驗觀察結合數學模型的預測，讓研究人員得以理解產生薄膜形狀的力，甚至得出了吹出完美泡泡的操作技巧。里斯特羅夫表示：「我們現在可以確切地得出推動液膜形成泡泡所需的流速，以及這種流速和金屬圈尺寸等數據的相關參數。」

如果金屬圓環的周長是 3.8 厘米，那麼就應該以 6.9 厘米/秒的風速吹動液膜，吹得更快或是圓環周長更小，泡泡都會破裂；而吹得太慢或是圓環周長更大，氣泡會逐漸變小甚至根本不會形成。

泡泡科學的日常

實際上，在我們的日常消費品中，泡泡科學的應用廣泛存在。從化妝和農業使用的噴霧，到剃鬚和護膚需要的泡沫劑和乳液，它們都是互不相容的液態物質組合。

研究給出的「完美泡泡配方」，除了指導我們吹出更穩定的泡泡，更有助於理解和優化噴霧和泡沫用品的工業生產。另一個方面，在玻璃製造和液體塗覆過程中，避免氣泡的產生也尤為重要，這些都離不開對「吹泡泡」的理解。

最直接的應用可能會體現在物理實驗教學上，水中吹油膜的實驗將更有實際操作和演示的意義。

論文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.094501

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