【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。

S. Moulinet and M. Adda-Bedia, Phys. Rev. Lett. (2015)
S. Moulinet and M. Adda-Bedia, Phys. Rev. Lett. (2015)

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)

相關報導
Physics 2015/10/30 Focus: Two Modes of Balloon Bursting Revealed

--
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。

 

加入好友

3,524 人瀏覽過

發佈留言

發佈留言必須填寫的電子郵件地址不會公開。 必填欄位標示為 *

為了避免你是機器人,請在留言前回答以下問題: