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为什么往饮料里吹气冒出来的泡泡大部分是五边形?优质

222次浏览| 2022-08-04 04:37:26 更新
来源:互联网
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①气泡大小基本一样。气泡大小主要和液体种类、吸管粗细、吹气速度有关,在这三点变化不大的情况下气泡大小基本一致。

②等大的气泡会自动呈蜂窝状排列。气泡排列总是倾向于变为能量更低的方式,比如两个挨着近的会吸到一起,三个会排成三角形。因为气泡的表面能和面积成正相关,所以面积越小能量越低。从上往下看,就相当于排出来的图形(保证每个小格面积不变)所有边长的和越小能量越低。而这个最理想的形状就是蜂窝状——所谓用料最少却容积最大最坚固的形状。换一个说法,三个气泡拼起来形成的Y字形交叉点处Y的三个角的角度和三个气泡的气压有关。气泡越大,气压越小,对应的角度越大。而三个气泡大小接近时Y字形交叉就倾向于形成3个120°角。而4个泡泡形成十字形的结构不稳定。

13年还是14年IYPT有一道题叫泡泡晶体,就是用等大的泡泡模拟晶格和缺陷来研究其形成规律。所谓缺陷就是说,虽然蜂窝状是最佳策略,但不是所有泡泡都能很好的形成这种形状,因为泡泡大小还是有区别的。只要满足每个Y字形都接近3*120°即可,所以出现一两个五边形也是不错的结果。五边形并没有比六边形差太多,但是从五边形变成六边形的过程中所需要的能量太大(类似“活化能”),所以干脆就不变了,就保留下来了。

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Random close pack小于这个堆积密度,对泡沫而言即含水量高于 36%,泡泡不互相接触挤压;大于该堆积密度(含水量低于 36%)时,泡沫互相积压,其形状从球形逐渐变为多面体。题主照片中的泡沫的含水量接近于 0,所以每个泡泡其实都是被 " 严重 " 积压为多面体的球形。

强调一点,以上说法只适用于三维空间中单一大小的球体的堆积问题,不应照搬到本回答主要讨论的二维问题中。

关于泡沫的科学研究从属于软物质科学,属于凝聚态物理中的软凝聚态物理,其背后的科学问题要比咖啡杯、肥皂泡、蜂巢等等深刻的多。

简而言之,泡沫与堆积问题(纯数学领域)、优化算法(计算机领域)、结构力学(力学)、化学、玻璃化转变(凝聚态物理)、阻塞相变(复杂性科学)等科学问题都有直接或间接的联系,这里不展开了。

气泡在单独存在时有一个自发地向外尽量扩张的态势,所以基本是球形的,如果你单独吹出一个气泡,我相信它一定是球形的而当有很多个气泡时,互相的接触限制了它们这样扩张(跟细胞的接触抑制一个道理),而且接触面是平的,因为互相的作用力。而各个细胞……对不起,气泡,相互围绕,互相之间又是地位同等的。围绕一个气泡,各气泡的形态又要大致相同,同时气泡还有个向外扩张的态势,六边形其实是最好的选择(因为它的对称属性,相同朝向即可无缝拼接),至于五边形和更多边行,实际上是气泡太多而地方太小啦。

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