科學(xué)發(fā)現(xiàn)：如何更快地把飲料從瓶子里倒出來？


圖為氣泡在不同流體中的時間演化，注意每次吹完泡泡后排出的形狀。圖片來源：Lokesh Rohilla
你觀察過倒飲料的時候瓶子是怎樣排空的嗎？印度理工學(xué)院（Indian Institute of Technology Roorkee）的研究人員探究了如何讓瓶子更快地倒空，這對飲料業(yè)以外的許多領(lǐng)域都有廣泛的影響。
幾個世紀(jì)以來，人們對氣泡進(jìn)行了廣泛的研究，包括列奧納多·達(dá)·芬奇（Leonardo da Vinci）早期的研究成果。達(dá)·芬奇有一個著名的發(fā)現(xiàn)，即氣泡呈正弦狀上升。瓶口氣泡產(chǎn)生的的動力學(xué)取決于液體的熱物理性質(zhì)、瓶體幾何形狀及其傾角。這些參數(shù)無可避免地交織在一起，使得空瓶動力學(xué)（bottle-emptying dynamics）成為氣泡物理學(xué)家的下一個前沿研究方向。
在AIP旗下期刊《流體物理學(xué)》（Physics of Fluids）中，Lokesh Rohilla和Arup Kumar Das通過高速攝影分析商業(yè)飲料瓶中的氣泡動力學(xué)，探索了這種現(xiàn)象。圖像分析使他們能夠?qū)⒏鞣N參數(shù)概念化，如液膜厚度，氣泡長寬比，上升速度和瓶子排空模式。


圖片來源：Pixabay
Rohilla說：“瓶子里的氣泡動力學(xué)太復(fù)雜了，很難研究，所以我們把氣泡界面生長分為不同的階段來理解?！?br> 眾所周知，如果你增大瓶子的傾角，瓶子倒空的耗時會縮短。這增加了所謂的氣泡收縮頻率（bubble pinch off frequency），相對增量取決于流體的熱物理性質(zhì)。
“我們的實驗表明存在一個臨界傾角，在此之后，繼續(xù)增大瓶子傾角也不會令瓶子排空時間繼續(xù)減少，”Rohilla說，“這是由于空隙的飽和造成的，在瓶口處，液體周圍的空氣以傾斜的角度占據(jù)了空間?！?br> 研究確定了兩種不同的倒空瓶模式。在一種模式下，由于瓶內(nèi)氣泡高頻收縮，液體排空速率增加。在另一種模式中，瓶內(nèi)氣泡體積增大，但產(chǎn)生頻率相對較低，這也能使得液體排空頻率增加。
Rohilla說：“我們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一個垂直倒置的瓶子排出液體時，會產(chǎn)生密封的氣泡。與直覺相反，密封氣泡與液體分離的點產(chǎn)生在瓶口之外。此外，在無粘性流體中由于幾乎沒有內(nèi)摩擦，液體層變薄，故而存在強烈噴射；而在粘性流體中完全不存在這種噴濺，氣泡存在可控的周期性?！?br>
密封氣泡的形成。圖片來源：Lokesh Rohilla
這項工作證明了瓶子的幾何形狀和熱物理性質(zhì)在縮短瓶子排空時間方面發(fā)揮著作用。
Das說：“我們可以通過調(diào)整瓶子的幾何形狀來控制瓶子的排放模式。直觀的、針對特定產(chǎn)品設(shè)計的的瓶子將能更好地控制其排空速率。”
這種對瓶子幾何形狀更深刻的理解，將有助于飲料工業(yè)和化工廠等實際應(yīng)用。
翻譯：吳娜
審校：戚譯引
引進(jìn)來源：AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS
引進(jìn)鏈接：https://eurekalert.org/pub_releases/2020-04/aiop-bdr040620.php


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