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科学发现：如何更快地把饮料从瓶子里倒出来？
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科学发现：如何更快地把饮料从瓶子里倒出来？
图为气泡在不同流体中的时间演化，注意每次吹完泡泡后排出的形状。图片来源：Lokesh Rohilla
你观察过倒饮料的时候瓶子是怎样排空的吗？印度理工学院（Indian Institute of Technology Roorkee）的研究人员探究了如何让瓶子更快地倒空，这对饮料业以外的许多领域都有广泛的影响。
几个世纪以来，人们对气泡进行了广泛的研究，包括列奥纳多·达·芬奇（Leonardo da Vinci）早期的研究成果。达·芬奇有一个著名的发现，即气泡呈正弦状上升。瓶口气泡产生的的动力学取决于液体的热物理性质、瓶体几何形状及其倾角。这些参数无可避免地交织在一起，使得空瓶动力学（bottle-emptying dynamics）成为气泡物理学家的下一个前沿研究方向。
在AIP旗下期刊《流体物理学》（Physics of Fluids）中，Lokesh Rohilla和Arup Kumar Das通过高速摄影分析商业饮料瓶中的气泡动力学，探索了这种现象。图像分析使他们能够将各种参数概念化，如液膜厚度，气泡长宽比，上升速度和瓶子排空模式。
图片来源：Pixabay
Rohilla说：“瓶子里的气泡动力学太复杂了，很难研究，所以我们把气泡界面生长分为不同的阶段来理解。”
众所周知，如果你增大瓶子的倾角，瓶子倒空的耗时会缩短。这增加了所谓的气泡收缩频率（bubble pinch off frequency），相对增量取决于流体的热物理性质。
“我们的实验表明存在一个临界倾角，在此之后，继续增大瓶子倾角也不会令瓶子排空时间继续减少，”Rohilla说，“这是由于空隙的饱和造成的，在瓶口处，液体周围的空气以倾斜的角度占据了空间。”
研究确定了两种不同的倒空瓶模式。在一种模式下，由于瓶内气泡高频收缩，液体排空速率增加。在另一种模式中，瓶内气泡体积增大，但产生频率相对较低，这也能使得液体排空频率增加。
Rohilla说：“我们还发现，当一个垂直倒置的瓶子排出液体时，会产生密封的气泡。与直觉相反，密封气泡与液体分离的点产生在瓶口之外。此外，在无粘性流体中由于几乎没有内摩擦，液体层变薄，故而存在强烈喷射；而在粘性流体中完全不存在这种喷溅，气泡存在可控的周期性。”
密封气泡的形成。图片来源：Lokesh Rohilla
这项工作证明了瓶子的几何形状和热物理性质在缩短瓶子排空时间方面发挥着作用。
Das说：“我们可以通过调整瓶子的几何形状来控制瓶子的排放模式。直观的、针对特定产品设计的的瓶子将能更好地控制其排空速率。”
这种对瓶子几何形状更深刻的理解，将有助于饮料工业和化工厂等实际应用。
翻译：吴娜
审校：戚译引
引进来源：AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS
引进链接：https://eurekalert.org/pub_releases/2020-04/aiop-bdr040620.php
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图为气泡在不同流体中的时间演化，注意每次吹完泡泡后排出的形状。图片来源：Lokesh Rohilla
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几个世纪以来，人们对气泡进行了广泛的研究，包括列奥纳多·达·芬奇（Leonardo da Vinci）早期的研究成果。达·芬奇有一个著名的发现，即气泡呈正弦状上升。瓶口气泡产生的的动力学取决于液体的热物理性质、瓶体几何形状及其倾角。这些参数无可避免地交织在一起，使得空瓶动力学（bottle-emptying dynamics）成为气泡物理学家的下一个前沿研究方向。
在AIP旗下期刊《流体物理学》（Physics of Fluids）中，Lokesh Rohilla和Arup Kumar Das通过高速摄影分析商业饮料瓶中的气泡动力学，探索了这种现象。图像分析使他们能够将各种参数概念化，如液膜厚度，气泡长宽比，上升速度和瓶子排空模式。
图片来源：Pixabay
Rohilla说：“瓶子里的气泡动力学太复杂了，很难研究，所以我们把气泡界面生长分为不同的阶段来理解。”
众所周知，如果你增大瓶子的倾角，瓶子倒空的耗时会缩短。这增加了所谓的气泡收缩频率（bubble pinch off frequency），相对增量取决于流体的热物理性质。
“我们的实验表明存在一个临界倾角，在此之后，继续增大瓶子倾角也不会令瓶子排空时间继续减少，”Rohilla说，“这是由于空隙的饱和造成的，在瓶口处，液体周围的空气以倾斜的角度占据了空间。”
研究确定了两种不同的倒空瓶模式。在一种模式下，由于瓶内气泡高频收缩，液体排空速率增加。在另一种模式中，瓶内气泡体积增大，但产生频率相对较低，这也能使得液体排空频率增加。
Rohilla说：“我们还发现，当一个垂直倒置的瓶子排出液体时，会产生密封的气泡。与直觉相反，密封气泡与液体分离的点产生在瓶口之外。此外，在无粘性流体中由于几乎没有内摩擦，液体层变薄，故而存在强烈喷射；而在粘性流体中完全不存在这种喷溅，气泡存在可控的周期性。”
密封气泡的形成。图片来源：Lokesh Rohilla
这项工作证明了瓶子的几何形状和热物理性质在缩短瓶子排空时间方面发挥着作用。
Das说：“我们可以通过调整瓶子的几何形状来控制瓶子的排放模式。直观的、针对特定产品设计的的瓶子将能更好地控制其排空速率。”
这种对瓶子几何形状更深刻的理解，将有助于饮料工业和化工厂等实际应用。
翻译：吴娜
审校：戚译引
引进来源：AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS
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