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汽水中的氣泡 (二)

上期介紹了汽水中的氣泡之有趣自然現象(請按此參閱上期),並提出了兩條問題,就是為甚麼氣泡會在上升時變大?而氣泡之間的距離從形成點起便一直增長?

  1. 為什麼氣泡會變大?

     

     

  2. 為什麼氣泡之間的距離會增長?

     

撰文:李立信


  1. 為什麼氣泡會變大?

    雖然氣泡在玻璃杯中上升時,周圍的水壓會逐漸減少,令氣泡膨脹,但由於從玻璃杯底至水面的距離其實很短,水壓的變化不是太大,所以這不是氣泡變大的主要原因。

    談到主要的原因,先要問問大家還記得上期提過氣泡需要成核位置才可形成嗎?原來除了玻璃杯上的小裂縫和汽水的雜質可作為成核位置外,氣泡本身在上升途中也會成為其他溶解於汽水內的二氧化碳的成核位置,新形成的氣泡與舊氣泡聚合在一起,便變成更大的氣泡。這個過程在氣泡上升的途中會不斷發生,所以氣泡會不斷變大。

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  2. 為什麼氣泡之間的距離會增長?

    由於氣泡的密度比周圍的汽水低,氣泡會上升,而浮力會隨著氣泡變大而增加﹝阿基米德定律﹞。另外,氣泡上升時會與周圍的汽水磨擦,這股向下拖曳的力量亦會隨著氣泡變大而增加。雖然這兩股方向相反的力都會同時增加,但浮力比向下拖曳的力增加得較快,所以氣泡最終仍會向上繼續加速,令氣泡之間的距離不斷增加。

    圖一
    外國實驗結果顯示氣泡的半徑及高度隨時間增加的關係

     

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[如果想知道更多有關這方面的資料及數學解答,請參考: Shafer, Neil E.; Zare, Richard N., October 1991: Through a beer glass darkly. Physics Today, Volume 44, Issue 10, pp.48-52]

最近修訂日期: <2014年4月1日>