冬日魔法:看冻结的泡泡变成雪花球!

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这是属于冬日的魔法:在足够寒冷而又无风的户外吹上一个泡泡,可以欣赏到非常美丽的一幕。在肥皂泡的表面,有许多小小的冰晶形成并在液膜上分散开,仿佛就像是有人摇动了雪花球,这些小冰晶逐渐凝结生长,直到整个泡泡都被冻结。

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类似现象大家可能之前也看过,我在这个账号之前也发过,不过这次还是要再发一下,因为最近我又发现了一个拍摄效果非常漂亮的版本!无论是小冰晶在液膜上的运动,还是分支状冰晶的形成,各种细节都拍摄得非常清晰。

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上面的几个动图都是来源于Don Komarechka拍摄的视频短片 “Winter’s Magic”,有条件的话非常推荐看一下原视频。作者也在视频介绍中讲解了这些晶莹剔透的结晶泡泡是如何拍摄的,不过拍这个确实也相当不容易……(原视频地址:https://youtu.be/mLcmeEL2SYs)

下面是此前研究者对这一过程给出的科学解释:

在美国物理学会第70届流体动力学年会上,来自弗吉尼亚理工的研究者们给出了他们的解释。他们在-20℃的冷冻室中拍摄并观察了附着在固体表面的肥皂泡如何冻结。结果就像很多网络热门视频那样,他们也观察到了宛如雪花球的结冰现象。

根据视频记录,研究者阐释了这种现象具体的发生过程:

①首先,在靠近固体表面的泡泡底部产生了小冰晶。

②凝固是会放热的,同时无论薄薄的肥皂泡膜还是周围的空气都不会很快导走热量,于是生产小冰晶的局部液膜温度变得比其他地方高了一点。

③现在,肥皂泡膜的不同部位温度出现差异了,而这也会带来表面张力的差异。于是,Marangoni效应出现了(对,又是它)。结果是,随着液膜上形成的对流,底部的小冰晶开始向上移动。

④随着移动,小冰晶充满了泡泡膜,剩余的液体继续在上面凝结。因为凝结核小冰晶的均匀分散,整个泡泡非常均匀地冻结,因此也更容易在完全冻结之前保持完整。

一个示意图:

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仔细观察的话,可以看到液膜的流动,底部的小冰晶随着液膜向上运动:

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顺便说,如果只有固体表面温度足够低,而周围环境都是无法维持冰晶的常温,那么肥皂泡的结冰就是从底部缓慢向上的,并且有可能完全结冰之前泡泡就塌掉了。还是在周围环境温度都足够低的情况下形成的冰晶最漂亮。

研究者的完整解释视频可以在这里看到:https://gfm.aps.org/meetings/dfd-2017/59bac426b8ac316d38841e74

顺便说,这也是我一直都想尝试拍一下的现象,不过目前还没有成功_(:з」∠)_(太冷了也就不想出门了……)

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