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黑丝

图片开端：Saverio E. Spagnolie

撰文 | 不周

审校 | 王昱

宅家陪犬子时，Saverio E. Spagnolie曾作念过一个小小的科学执行：将葡萄干干与碳酸饮料中，它们的全身会快速裹满气泡，在水中有节律地旋转进取，凹凸翩跹起舞。这一历程会执续数分钟，致使长达一个小时。Spagnolie和犬子沿路盯着葡萄干起迁移伏，盯了许久。犬子很快失去了意思意思，Spagnolie却对此越发上面。

2017年，作家和犬子作念苏吊水葡萄干执行。视频开端：@SaverioIV/X

Spagnolie是好意思国威斯康星大学麦迪逊分校（University of Wisconsin-Madison）的数学教授，一直以来，他齐对粘性流体中的复杂能源学历程、微生物瓦解、生物力学等地点很感意思意思，也很是乐于确立新颖的数值方法来钻研这些问题。但和犬子玩耍时，他矍铄到，无意不需要什么高技术，每个东说念主的厨房齐是一座顶尖的执行室——复杂的流体当作在这里遍地可见。尽管咱们不错诱骗厨房里发生的种种景色，却经常不可准确描述或展望它们。在Spagnolie看来，葡萄干跳舞便是这么一种景色。

这些浑身气泡的“舞者”似乎不知停歇，也让Spagnolie停不下来地念念考，葡萄干为什么会在液体中发挥出这么的当作？为了诱骗山外有山的“葡萄干+苏吊水”组合，他薅来了两位学生沿路，作念了一系列执行，并在诡计机中完成了数值模拟，还构建了表面模子，以描述葡萄干的瓦解当作。最终，他和学生撰写了一篇商策动文，已于5月9日在线发表在《当然·通信》（Nature Communications）上。

将所有这些执行、数值模拟和表面使命整合起来，花了他很长很长的时间。“有时候，你在厨房里闲荡，逛着逛着，就下定决心：我一定要搞明晰这个景色背后的机制，”Spagnolie曾在搪塞平台X（原Twitter）上发推文，先容这项商讨效果，并敷陈了我方的心路历程。意思心很耗时，斥逐却令东说念主同意——这条推文马上走红，而葡萄干跳舞的视频也在短短两天内得回了杰出50万的浏览量。

从探戈到华尔兹

当葡萄干进入苏吊水时，由于密度更大，它老是先千里入底部。但苏吊水（或者淘气的碳酸饮料）骨子上是一种碳酸“过饱和”的液体，其中含有的气体超出了液体的容纳才能，一朝开启饮料罐，伴跟着“啪”的一声，压力下跌，二氧化碳分子也会运行执续不时地叛逃到空气中。而这些气体在液体里面的叛逃神志，便是一串串飞腾的气泡。也恰是这些气泡，赋予了葡萄干跳舞的能源。

葡萄干上附着的气泡越聚越多，浮力也越来越大，终末，它会被气泡拉着悬浮飞腾，直到液体名义。但是，葡萄干一朝抵达液体名义，跳出水面的气泡就会坐窝闹翻。不合称的浮力会让葡萄干转起圈来，破钞更多气泡。当气泡破钞得不及以支执葡萄干悬浮后，它会再次千里入底部。不时叠加这一历程，便有了周期性凹凸迁移的“跳舞”。

视频开端：@SaverioIV/X

由于流体本人的名义张力倾向于减少名义积，而气泡的产生却会加多名义积——这就导致流体压力和名义张力会费事贬抑重生的气泡，尽可能地把它们挤出去。但一些省略的名义，比如容器中的刻痕、残留在流体中的微弱管状纤维，诚然还有葡萄干的名义，却不错保护这些新不满泡免受名义张力的艰涩。从某种进度上讲，葡萄干其实是很是好的舞者。

笔据不雅察，只需要几秒钟，葡萄干皱巴巴的名义就能形成有余多的气泡，带着它飞腾。如若将葡萄干放进刚开罐、气泡丰富的汽水里，它会活力四射地跳上近20分钟的“探戈”，然后才转为步履舒徐的“华尔兹”，而这一历程会执续一个小时阁下。但Spagnolie并不得志于这么粗犷的描述，他想知说念哪些要素影响了葡萄干的跳舞，是否不错笔据一些要求展望葡萄干的当作，比如葡萄干的抖动频率等。

旋转，进取，摆动

为了精确描述过饱和流体中物体的悬浮和能源学当作，Spagnolie通过执行和数值模拟数据，确立了一个数学模子来展望物体的漂泊能源学当作。辩论到气泡是过饱和溶液中物体瓦解的能源源，商讨东说念主员需要详情这些小小的“能源”随时间的变化。

就像可乐开罐遗弃几个小时后，气泡会澈底隐没通常，过饱和溶液中的气体浓度会随时间不时减少。为此，商讨东说念主员测量了某品牌苏吊水在室温（21.6摄氏度）下遗弃两小时的平均质料耗费。在减去液体挥发引起的恒定、线性的质料耗费后，商讨东说念主员得以描述过饱和溶液中随时间变化的单元体积气体平均浓度。

测量3D打印“葡萄干”受力情况的历程，视频已10倍加快丨@SaverioIV/X

接下来，他们将一个物体固定在液体中，以测量其由于名义气泡孕育而产生的力。商讨东说念主员3D打印了一个半径为1厘米的聚乳酸（PLA）球，并将它与数字秤邻接。此后他们将刚通达的碳酸过饱和溶液轻轻倒入容器中，然后将球体放入液体中，每隔4分钟取出一次，再快速放回。

由此，商讨东说念主员能够竣工地不雅测到，气泡在球体名义形成、孕育、荟萃和脱离的竣工历程，以及这些历程给球体施加的力的变化。跟着气泡在球体名义孕育、荟萃，它们会达到一个临界尺寸，给静止球体提供的垂直朝上浮力达到极致，此后就会脱离球体，并各自离开。经过屡次叠加执行，静止球体受到的最大浮力会随时间踏实下跌，而跟着插入时间越来越晚，液体中气体浓度下跌，也需要越来越长的时间蕴蓄气泡。

目田移动的物体在过饱和流体中不错执续数小时摆动丨@SaverioIV/X

在固定球体执行后，终于到了“放生”法子——商讨东说念主员会让球体在流体中目田移动，并通过相机拍摄纪录球体2小时内的瓦解轨迹，并用图像追踪表率纪录每次球体规复垂直的位置。关于球体而言，它在碳酸过饱和溶液中领先经常会以雷同“阻尼弹跳”的神志，一语气屡次地连结气-液界面，每次连结齐会撤消身段不同部分的气泡。而到了后期，它又会在容器底部永劫期停留，只好越来越寥落的大气泡才能让它离开一下。

历时两个多小时、60倍加快的视频，展示了跟着流体中气体越来越少，物体摆动的频率有所下跌丨@SaverioIV/X

商讨东说念主员发现，关于这类名义密集笼罩有气泡的大型物体，其名义能否目田旋转至关紧迫。他们在一组执行中，限定球体仅能沿着垂直轴平移或旋转，这极地面贬抑了球体的摆动。而如若球体不错目田旋转，又会堕入新的窘境。比如，由于球体的对称性，即使顶部的气泡闹翻，其底部的气泡也不错使其踏实地悬浮。但一朝出现少量点旋转（比如嘈杂的流体，或隔邻其他“舞伴”形成的影响），艰涩了球体的非均衡稳态，底下的气泡会让物体旋转得更快，导致更多的气泡在名义闹翻。而这些气泡越早被撤消，物体就越能早早规复垂直跳舞的现象。

液体的流动、周边“舞伴”齐可能触发物体的旋转。丨@SaverioIV/X

道理道理的是，葡萄干这种款式不规章的小物体，反而不会像大物体通常，依赖旋转来摆动。它们会快速地阁下扭捏，执续不时地扭动，且更多受单个大气泡的孕育、升力以及脱离的影响，因此更容易不雅测到垂直方朝上的跳舞。

在通过执行防卫不雅察了这些物体的当作后，Spagnolie还想更进一步诱骗一些物理参数何如影响跳舞。于是他和学生沿路确立了一个数学模子，结合了气泡孕育的速度，物体的款式、尺寸和名义省略度，致使还有容器的几何款式，所有气泡举止形成的流动，以及流体里面的气泡叛逃速度。

视频开端：@SaverioIV/X

借助该模子，Spagnolie得以详情哪些要素关于物体的跳舞更紧迫。比如，他们发现，物体本人受到的流体阻力相对没那么紧迫，但它的名义积与体积的比率至关紧迫。这一模子能够很好地匡助诱骗过饱和流体的特色，只需要用一些更容易测量的量（比如物体的摆动频率），就能了解一些微不雅层面、难以测量的信息。

从厨房看宇宙

苏吊水中凹凸摆动的葡萄干，看上去是很是浅显、易于诱骗的景色。但恰是这么基础的系统，为物理学家提供了一个便捷商讨复杂流体中物体当作的平台。从厨房中跳出来，咱们会发现过饱和流体不仅有碳酸饮料，当然界中的岩浆亦然其中一员。

晃一晃可乐，然后开启它，大致率会迎来一场可乐喷发。事实上，火山喷发亦然相似的历程：当岩浆飞腾到接近地表时，会马上减压，其里面融解的气体会冲向火山口，形成浩瀚的高压气泡，最终导致火山喷发。尽管岩浆中的颗粒物可能不会像苏吊水中的葡萄干通常跳舞，但这些物资很可能会影响爆发事件何如发生。

此外，葡萄干在苏吊水中的摆动，也很容易让东说念主瞎意想一些生物活性系统。比如，微生物会从周围的液体中给与养分物资，以执续在其中游动；分子马达也会以ATP的时事给与隔邻能量，此后沿细胞中的高速公路输运物资。某种进度上，葡萄干亦然从复杂的流体环境中给与能量而瓦解，反过来还会影响流体的环境——比如一些要求下，过饱和流体中的物体反而会延长气体的溢出。

这些高度复杂的系统仍有待探索……不外你不必急！不妨望望我方的厨房，还有哪些老本不杰出十元的执行不错发论文?

阿基米德正在走动漫步，不行，我得洗个泡泡浴！

参考文件

[1]https://www.nature.com/articles/s41467-024-47672-z#Sec14

[2]https://x.com/SaverioIV/status/1701996655992529101

[3]https://theconversation.com/dancing-raisins-a-simple-kitchen-experiment-reveals-how-objects-can-extract-energy-from-their-environment-and-come-to-life-223255

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