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当雨滴遇到肥皂泡—答成都市小朋友
作者:徐硕昌     时间:2010-8-27     点击率:27988

 编者按语:“力学园地”的“释疑解惑”栏目是广大科技爱好者与科学家沟通的平台。成都市九岁小朋友和他的妈妈给我们提出了问题,徐硕昌教授在百忙之中很快给出了回答,并且还帮助设计了做科学小实验的方案。希望有更多的科学家在这里向青少年传播和普及科学知识。

读者提问:
“力学园地”编辑:您好!
  我是一个9岁男孩的母亲,孩子就读于成都市高新区新光小学四年级,现在学校让每个同学写一篇科技小论文,我们选的题材是肥皂泡。
  当时我们是在雨天吹的,它在空中越飘越远。我们就想,为什么雨滴不能将它击破呢?(当时的雨不是很大的)那雨滴击中它的时候,是从它的身上穿透而过呢,还是跟它混为一体的?还有很多很多的疑问,真想得到你们的帮助,关于肥皂泡的专业知识。谢谢!
                               一读者
专家答疑:
成都市小朋友和他的妈妈:你们好!
  编辑转来你们提问的信,谢谢你们对我们网站的关注。你们问在小雨中吹肥皂泡时,雨滴打在空中飘动的肥皂泡是从泡上穿透而过还是和泡混在一起?这是一个很有意思的问题。
  首先答复你们的问题。肥皂泡和同样大小气球相似,肥皂泡外面被一层薄肥皂膜所包围,中间是空气。肥皂膜是由肥皂分子和水分子混合液而形成的球面,一般厚度为微米量级。小朋友知道吗?1微米是1米的百万分之一,所以肥皂膜是很薄很薄的,力学家常常把它按照一个没有厚度的“面”来处理。肥皂膜具有表面张力,它的力学特性相似于橡皮膜那样具有张力。肥皂泡里面的空气压力大于外部的空气压力,就是靠表面张力来平衡的。雨滴打在气球上水只能从球面上顺流而下不会渗入橡皮膜,但肥皂膜就不一样,一部分雨水会浸渗入肥皂膜、一部分水会顺着膜而流下。雨滴的冲击力小于膜的表面张力的垂直分量(对于球面而言,某点的垂直分量就在该点与球心的连线方向上),肥皂泡就不会破。下大雨时,雨滴的冲击力变大,就会击穿膜壁,泡内压力大的空气会向外流,一般情形下肥皂泡就会破碎。这一点是可以肯定的:小雨滴击不破肥皂膜、大雨滴会击爆肥皂泡、甚至击爆气球。至于雨滴会不会穿透肥皂泡而落下还不能一概而论,极端情形下,当液滴大小和膜的厚度相当、速度又非常大时会出现这种情形。下雨时可能不会出现这种情形。
  其次,向家长介绍一些有关肥皂泡的资料:英国科学家C.V.波易斯著《肥皂泡和形成它们的力》(科学出版社,1974)就是一部很通俗易懂的科普读物。另外,用百度搜一下“肥皂泡”,或者找百度百科和维基百科看一看。网上资讯五彩缤纷、但错误很多,维基百科资料更全些,但还是看权威的百科全书更可靠。
  第三,建议做一个小实验来研究雨滴和肥皂泡的相互作用。下雨天吹肥皂泡,影响因素很多,如雨滴大小、风速、风向和泡的大小等等。做研究就必须简化条件,抓最主要的影响因素。这里滴和泡是最关键对象,吹一个直径10厘米大小肥皂泡放在一个金属圆圈上面,固定在一个水平支架上。选三个圆管能滴出5毫米、1毫米、0.2毫米的水滴分别代表大、中、小雨滴三种情形。水滴从肥皂泡正上方不同髙度对着肥皂泡落下。观察什么时候肥皂泡会破,不破时水在肥皂泡面上流动情形。对照一下信中第一部分对雨滴和肥皂泡相互作用的解释,看看这个小实验是不是能解释雨滴和肥皂泡的相互作用。同样实验把肥皂泡换成同样大小气球再做一遍。这个实验小朋友在大人帮助下自己能完成,通过实验仔细观察现象,用文字描述出来,是不是就是一篇科学小论文?
  祝小朋友好好学习、天天向上!
                  中国科学院力学研究所研究员(退休)
                 中国科学院研究生院教授(退休)  徐硕昌
                       2010/08/26