撕胶带为什么那么吵?因为这约等于一次火箭发射

提起超音速冲击波,我们可能下意识会联想到核爆炸、喷气式战斗机、火箭发射等。这些能量瞬间爆发的过程,无论怎么看,都与开香槟相去甚远。但有趣的是,据“香槟学”研究显示,香槟开瓶很像是一次迷你火箭发射,二者均会产生超音速冲击波。

一阵猛烈摇晃之后,我们紧盯着香槟酒瓶,期待着瓶塞在下一秒就弹射出去。随着“砰”的一声,酒液和泡沫喷涌而出,人群中也爆发出欢呼声 —— 这是庆祝活动中常见的一幕。但是这并非打开香槟的正确方式,反而相当危险,每年都有人因此受伤。

让我们重新来过,不去摇晃香槟酒,拆开覆在软木塞上的铁丝网。一手按着瓶塞,一手缓慢旋转瓶身,瓶塞会自然地被瓶内气压慢慢顶出,然后“啵”的一声弹出来,随后瓶口出现淡淡的白雾。

也许是那抹白雾令人在意,在 2019 年《科学・进展》(Science Advances)的一篇文章里,物理学家化身“香槟学者”,突发奇想地用高速摄像机拍摄了香槟开瓶的瞬间。他们惊讶地发现,瓶塞弹出后,瓶中喷射的高压气流竟会形成超音速冲击波。

超音速冲击波,本质上是物体进行超音速运动时,会对周围介质(比如空气)产生扰动,从而不断在物体前方形成压缩气流。这些压缩气流携带了巨大的能量,会以超音速气浪的形式向四周冲击。

▲图片右上角为拍摄时间:从 583 微秒到 1000 微秒。高速摄像机捕捉到,马赫环(箭头所指位置)从离瓶口较近的图 A 位置,逐渐远离瓶口至图 E 位置,直到图 F 完全消散。(图片来源:原论文)

马赫环

气流通常是无色的,这意味着我们无法直接看到冲击波。那为何还能用摄像机捕捉到香槟瓶口的超音速冲击波呢?事实上,与其说我们看到了超音速冲击波,不如说是观察到了只有超音速气流才能形成的现象。

当你仔细观察这几张香槟开瓶瞬间的照片时,会发现有一条白线正逐渐远离瓶口,直至消散。而如果你从瓶口正上方向下看,会发现这条线其实是个圆环 —— 这就是马赫环(mach disk)。

如果你留心过超音速飞机起飞或者火箭发射,也许会注意到,它们的尾部总带有一串明亮的光环,这也是马赫环。火箭和飞机都需要喷射超音速气流来获得强大推力。喷出的超音速气流压力很高,所以当它从喷管喷入大气中时,会直接膨胀;但膨胀后的气流压力又会低于大气压,因此会再次被压缩。如此一来,超音速气流会在膨胀与压缩间往复循环,这个过程会形成膨胀波与压缩波,二者在传播过程中相遇叠加,就形成了一个个的圆环,也就是马赫环。

不难看出马赫环现象出现的必要条件:一是超音速气流;二是气流压力与环境压力不等。前者满足冲击波出现的条件;而后者能使气流发生变化,进而产生不同的波。

香槟瓶口的马赫环与火箭尾部的马赫环成因相同,但二者有一个显著区别:超音速气流的温度。香槟瓶塞弹出的瞬间,瓶内气流快速溢出,导致瓶内气压与温度骤降,二氧化碳和水蒸气混合物会凝结成冰晶,形成灰白色雾气。也因此,香槟瓶口的马赫环会出现在白雾中。而火箭喷射的气流温度过高,会点燃混于其中的少量燃料,让马赫环在其中格外耀眼。

瓶塞弹出的瞬间

然而,虽然知道香槟瓶口喷射的气流能超过音速、产生马赫环,但具体的过程和物理机制尚未明确。今年,在一篇发表在《流体力学》(Physics of Fluids)杂志的文章里,科学家通过计算机模拟,进一步揭示了在香槟瓶塞弹出的 1 毫秒(1000 微秒)中,冲击波形成、演变、最终消散的过程。

香槟酒富含二氧化碳,瓶中的气压约是大气压的 6 倍,瓶中压缩的二氧化碳气体会不断地向软木塞施加向外的推力,想将它顶出去。在稳定情况下,软木塞与瓶壁间的静摩擦力会与向外的推力相平衡。然而一旦你开始扭动软木塞,静摩擦力会迅速转变为动摩擦力,不再能与气压抗衡。瓶塞此时就如火箭一般,蓄势待发。

▲计算机模拟图像。从上至下,每行分别对应冲击波演化的第一阶段、第二阶段到第三阶段。第一行 500 微秒时,木塞刚刚弹出,气流只能沿着瓶塞与瓶口的缝隙横向膨胀;第二行 917 微秒时,木塞离瓶口一定距离,气流能直接喷射,但会与瓶塞碰撞形成弯曲的冲击波;第三行 1167 微秒时,瓶内外气压差降低,无法支撑气流以超音速逸出。从左至右,每列分别显示流速、气压和温度的空间分布。结合行与列变量,可以对应看出每一阶段的状态,及其对应不同变量的区间分布。(图片来源:原论文)

根据计算机模拟,软木塞弹出后的 1 毫秒中,超音速气流的变化可分为三个阶段描述:

软木塞弹出的第一阶段(600 微秒内),瓶内的二氧化碳气流会以超音速逸出,这个过程与火箭发射的气流加速过程极为相似。火箭尾部的喷管是两边宽中间窄的漏斗形状,也叫做拉瓦尔喷管(Laval nozzle)。引燃后加热的高压气流在通过喷管逐渐收窄的前半部分时,会不断压缩、加速。而香槟瓶颈处收窄的形状也起到了类似的效果,让气流在瓶口处加速至超音速。

就像人群堵塞在狭窄路口时行进速度缓慢,而一旦走到开阔空间会分散加速一样,气流经过狭窄路径压缩后进入到开阔空间,也会急于膨胀加速。因此高压的气流在逸出瓶口、进入相对低压的外界环境时,会获得超音速;而火箭气流则是在喷管后半部分就能达到超音速。与火箭不同的是,香槟瓶口的瓶塞由于运动速度相比气流过慢,会阻碍气流直接喷射。这一阶段的超音速气流只能沿着瓶塞与瓶口的缝隙,横向膨胀逸出,形成冠状的冲击波,同时出现马赫环现象。

软木塞离开瓶口的第二阶段(600-1000 微秒间),随着瓶内气体不断逸出,终于能像火箭气流一样径直喷射出去,随即会与稍远些的软木塞发生碰撞,从而形成弯曲的冲击波。

而到了第三阶段(超过 1000 微秒),酒瓶内的压力逐渐与大气压相平,无法维持瓶口处的压力差,气流失去了动力。因此喷射的气流将不断减速,直到低于音速,冲击波彻底消散。

源于生活的启发

这项有趣的研究将火箭发射与香槟开瓶关联到一起,不仅推动了“香槟学”研究进展,还能为一系列重要应用的研究提供参考,比如火箭发射和导弹发射的弹道学研究。这项研究也可以帮助开发水下航行器和风力涡轮机的工程师,让他们能更好地理解流体动力学(流动的物质在力作用下的运动规律)过程。

然而事实上,我们身边不只有香槟开瓶会产生超音速冲击波。不知你是否留意过生活中两种极具穿透力的声音:撕透明胶带时的“撕拉!”声,以及公园里甩鞭锻炼时的“啪!啪!”声。

如果大力地撕胶带,你会发现胶带总是被一截截地扯开,听上去是一段段的“撕拉”声。当你用力将胶带撕离附着表面时,胶带粘合剂会像弹簧一样拉伸,并储存弹性势能(所以无法连续地撕开)。在粘合剂“弹簧”承受不住更大的拉力断裂后,累积的弹性势能会立刻转化为胶带分裂边缘(附着胶带与分离胶带的分界线)的动能。

如果用高速摄像机拍摄这一过程,你会看到胶带分裂边缘会以每秒 650 到 900 米的速度运动,远超音速,甚至超过了战斗机的速度。这意味着附着胶带每一次积攒势能、而后剥离,都会释放微小的超音速冲击波。所以不难理解,在我们听来,一次次迷你音爆的叠加当然会很刺耳。

▲撕透明胶带时,总避免不了刺耳的“撕拉”声(图片来源:Pixabay)

而公园里响亮的“啪!啪!”甩鞭声,有人可能会误以为这是鞭子抽打在地上发出的声响,但其实这都是一个个在空中爆发的迷你超音速冲击波。人在用力甩动鞭子时,会将动能传递给鞭子。通常鞭子手柄部分更粗、质量也更大,当动能沿着柔软的鞭身传递到又细又轻的鞭梢时,为保证动量守恒,鞭梢速度会远大于手柄的速度,很容易超过声速,从而形成局部的超音速冲击波。

这个现象,也被称为鞭梢效应。它与香槟开瓶一样,源于生活,但也蕴含着复杂的物理机制。

现在,如果有人问:香槟,胶带和鞭子三者有何共通之处?

你知道该怎样回答了吗?

论文链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aav5528

https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/5.0089774

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.068005

参考链接:

https://www.smithsonianmag.com/smart-news/what-really-happens-when-you-pop-champagne-according-to-science-180980218/

https://www.livescience.com/champagne-bottle-opening-creates-shockwaves.html

https://www.decanter.com/wine-news/german-scientist-logs-champagne-cork-speed-75173/

https://kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx?dbcode=CJFD&dbname=CJFD9495&filename=LXYS505.026

本文来自微信公众号:环球科学 (ID:huanqiukexue),撰文 :不周审校 : 二七