科學發(fā)現：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)以外的許多領域都有廣泛的影響。
幾個世紀以來，人們對氣泡進行了廣泛的研究，包括列奧納多·達·芬奇（Leonardo da Vinci）早期的研究成果。達·芬奇有一個著名的發(fā)現，即氣泡呈正弦狀上升。瓶口氣泡產生的的動力學取決于液體的熱物理性質、瓶體幾何形狀及其傾角。這些參數無可避免地交織在一起，使得空瓶動力學（bottle-emptying dynamics）成為氣泡物理學家的下一個前沿研究方向。
在AIP旗下期刊《流體物理學》（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，探索了這種現象。圖像分析使他們能夠將各種參數概念化，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太復雜了，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。
“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，由于瓶內氣泡高頻收縮，液體排空速率增加。在另一種模式中，瓶內氣泡體積增大，但產生頻率相對較低，這也能使得液體排空頻率增加。
Rohilla說：“我們還發(fā)現，當一個垂直倒置的瓶子排出液體時，會產生密封的氣泡。與直覺相反，密封氣泡與液體分離的點產生在瓶口之外。此外，在無粘性流體中由于幾乎沒有內摩擦，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、針對特定產品設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)和化工廠等實際應用。
翻譯：吳娜
審校：戚譯引
引進來源：AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS
引進鏈接：https://eurekalert.org/pub_releases/2020-04/aiop-bdr040620.php


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