【生活物理】氣球是如何炸開的
■兩位法國科學家用高速攝影機仔細研究了氣球爆炸的模式。發現氣球爆炸約略可以分成兩種不同的類型。
撰文｜陳勁豪
氣球在很多慶祝場合上都會被用來當作裝飾的道具。只是吹氣球時吹得太滿，氣球會破。被針戳一下，氣球也會破。當氣球爆炸的時候，除了發出很大的聲響嚇人一跳之外，通常只會剩下炸開的氣球殘骸。
這些殘骸對我們來說，基本上就是準備要掃到垃圾桶裡面，但是對法國的Sébastien Moulinet跟Mokhtar Adda-Bedia來說，這只是個起點。他們注意到氣球炸開的殘骸似乎有著不同的破裂方式。因此他們決定利用高速攝影機來研究氣球爆炸的過程。
為了系統化研究氣球的爆炸模式，他們準備一堆厚度在0.35到1.1公釐的塑膠膜，夾在一個直徑5.2公分的圓形夾子上。接著對這片塑膠膜灌入加壓氣體，用來模擬吹氣球的動作(想像吹肥皂水泡泡的樣子)。氣球的前方放了一把刀子，讓他們可以在任意狀況下戳破氣球。最後，他們準備了一台高速攝影機來拍攝氣球爆破的樣子。
研究的方法相當簡單，就是灌氣球，然後戳破氣球。在犧牲了無數氣球之後，氣球破裂的時候其實是有些跡象可尋的。當氣球內部的氣體壓力相對較低的時候，氣球會順著缺口一路裂開，所以基本上只有一個裂口。但是當氣球內的壓力超過一個臨界壓力的時候，氣球不但會朝一個主要開口裂開，主要裂口的垂直方向開出許多新裂口，看起來就像魚骨一樣。這時氣球裂開的殘骸比較可能破成許多片。
更進一步的分析發現，決定氣球破裂行為的關鍵因素其實不在氣球的氣壓，而是橡膠膜的張力，而影響張力的因素有氣球的壓力、橡膠膜的厚度，還有氣球破洞位置附近的曲率。當張力較小的時候，開口基本上就只有一個主要裂縫，當張力較大的時候，因為張力需要被快速釋放，因此會同時產生許多的裂口。
研究氣球爆炸乍看之下是有趣但是沒有太大實質意義的事情，但是這種反應有個特別的名稱，叫做破碎過程(fragmentation process)。這種行為在相當多的系統中都會出現，例如小至重原子核的分裂，大至小行星的分裂，或是日常生活中防彈衣的防護效果，都跟破碎過程有關。透過研究氣球這種簡單的系統，說不定可以給科學加對研究這些反應有著更進一步的啟發。
原始論文
Popping Balloons: A Case Study of Dynamical Fragmentation
Sébastien Moulinet and Mokhtar Adda-Bedia
Phys. Rev. Lett. 115, 184301 (2015)
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Physics 2015/10/30 Focus: Two Modes of Balloon Bursting Revealed
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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。
