【生活物理】啤酒噴泉的原理

圖片來源:www.med-health.net
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撰文|陳勁豪

在美國的派對中,常常可以見到人手一瓶啤酒。偶爾會有人在這時會對某位可憐的受害者開個英文稱為"beer tapping"的小玩笑。他們將手上的啤酒瓶的瓶底對著這個受害者的瓶口猛力敲下去。大約幾秒鐘之後,這個受害者瓶內的啤酒就會像噴泉一樣噴出來,讓這個可憐蟲又好氣又好笑的被啤酒濺的滿身都是。當然類似的情形也發生在罐裝汽水。當有人在開瓶前猛力搖晃易開罐,那當易開罐打開的時候,一樣會看到汽水噴泉。對這個日常生活中常見的啤酒噴泉現象,科學家一直沒有一個合理的解釋。如今,一群西班牙的物理學家提出了一個相當令人信服的解釋。

啤酒本身是二氧化碳的過飽和溶液,因此只要外加一些壓力,這些溶在啤酒中的二氧化碳便會形成氣泡。但是這些氣泡是怎麼變成噴泉暴發出來呢?西班牙的Carlos III University of Madrid的Javier Rodríguez-Rodríguez和他的合作夥伴對這個現象進行了仔細的研究。他們發現整個噴發過程約略可以分為三個階段。第一階段是當瓶口受到猛力敲擊的時候,一陣壓力波會透過啤酒傳到瓶底,然後反射回來。這時啤酒中的氣泡會因為壓力波而膨脹,進而碎裂成許多細小的泡泡。根據估計,這個階段約可以產生一百萬個小氣泡。接著是第二階段:這些大量的小氣泡快速提昇氣泡跟啤酒之間接觸的表面積總量,使得更多啤酒中的二氧化碳能夠溶解在氣泡中。這時反應進入第三階段:這些變大的小氣泡在啤酒中會因為浮力的關係逐漸往上飄,同時會因為壓力減小的關係而使氣泡變大,氣泡變大的過程又使更多二氧化碳融入氣泡中,於是形成一個自我催化的效應,終至不可收拾,所有氣泡從瓶口一擁而出。整個過程約在0.1到1秒之間。

這個啤酒噴泉的三階段過程很合理的解釋了整個過程,但是這套理論的適用範圍可能不只於此。這個理論可能可以用來解釋某些地質現象,例如在1986年八月21日,非洲喀麥隆的Lake Nyos忽然噴出了大量的二氧化碳,造成約1700人窒息。這個事件的成因可能就是因為地震造成的氣體大量噴發。

不論如何,這個理論起碼解釋了啤酒噴泉的現象。光是這個發現就值得為這群科學家乾杯了。

原始論文:
Physics of Beer Tapping
Phys. Rev. Lett. 113, 214501
Javier Rodríguez-Rodríguez, Almudena Casado-Chacón, and Daniel Fuster

參考資料:
Physics: Synopsis: Beer Forms Sudsy Surprise
Science: 2014/11/12 Tapping into the science of the beer volcano
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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

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