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夏天到了，人们都喜欢喝上一杯冰镇啤酒消暑，特别是这几天，世界杯正在如火如荼进行，少不了啤酒和花生。但是不知道你有没有注意到，把啤酒倒在杯子里以后气泡会不断上升。也许你会觉得这是当然的啦，气泡当然都会上升。但是世界知名黑啤健力士（Guinness）里的气泡却不是这样。它除了口感甚佳，而且也因为酒中“逆天”下沉的泡泡为人津津乐道。有人观察到这种黑啤产生的气泡不像其他啤酒或可乐等饮料中的气泡那样不断上升，而是不断下降，下降速度还不慢，看上去就像是褐色的岩石上瀑布在飞流。这到底是为什么呢？ 这确实是一个有意思的现象，气泡在液体中因浮力作用肯定应该上浮，不可能下降。再说，如果气泡是在下降，那么最终气泡应该会聚集到杯子底层，为什么最终气泡稳定后，又都聚集到杯子上层了呢？ 1、气泡的形成 二氧化碳在啤酒中溶解的量由亨利定律决定。亨利定律内容是溶液中溶解的气体平衡浓度与气相中该气体的分压成正比。分压是指假设气体混合物中某种气体单独存在，并占有与混合气体相同体积时所具有的压强。 简单说，酒体上方气体的压强越大，酒中溶解的二氧化碳就也多。对于啤酒这种起泡的酒来说，亨利定律意味着要在液体中溶解更多的二氧化碳，就需要在酒和瓶盖之间的顶隙上加高压。这就是啤酒需要不易碎的玻璃瓶或耐压的易拉罐来盛装的原因。 酒瓶一旦打开，二氧化碳的热力学平衡态就被破坏，酒里溶解的二氧化碳连续逸出，因为气相中的二氧化碳的分压从瓶中的2 个大气压降至约0.0004 个大气压，即大气中的二氧化碳的分压。从热力学上说来，所溶解的二氧化碳都会从啤酒里逸出。 二氧化碳的溶解量还与温度有关，随着酒体温度的升高，对气体的溶解性越来越差。大部分啤酒的理想饮用温度8–10 °C，因为在这个温度下啤酒的沙口感刚刚好，然而随着温度的升高，啤酒中的二氧化碳也会随之溢出。 幸运的是，这种情况不会瞬时完成，你需要等几十个小时之后，二氧化碳才会完全挥发干净。当然你也不傻，将开瓶的酒放置这么久而白白浪费。 研究发现，倾斜的酒杯中的酒中的二氧化碳浓度比竖直酒杯中的二氧化碳的浓度更高。这是因为将酒倒在倾斜的酒杯的壁上，可以使啤酒柔和地流下，而将酒直下倒入竖直的酒杯，会造成湍流，并使酒中包住一些空气泡。这两种效应都会加剧二氧化碳的逸出。 科学家利用高速摄像机研究了气泡的成因，发现气泡成核位点主要位于酒杯壁上圆柱形中空的纤维素。这些纤维有两个主要来源，一是酒杯清洁布，二是沾在酒杯壁上的空气中的漂浮物。重要的是，这些纤维顶端有几微米大小的孔，超过气泡生长的临界半径。 在实验中，研究人员用了两种酒杯，一种酒杯用蚁酸清洗过，确保杯壁上无纤维附着，避免气泡成核，另一种杯子是没有用蚁酸清洗过的酒杯。将啤酒倒入用蚁酸清洗过的酒杯，酒内无气泡，非常平静。但是，在未被蚁酸清洗过的酒杯中，酒内有气泡产生，并形成多个气泡串。所以，水至清则无鱼，杯至净则无泡，喝酒的杯子要干净，但不可绝对干净。 2. 气泡为什么往下走 在我们的意识里，酒中的气泡只能往上走，而健力士的气泡却能往下走，为了解释这个逆天的现象，爱尔兰的数学家结合了牛顿经典力学和流体力学，建立一套数学模型，用理论解释了产生这一现象的原因。 我们假设气泡直径保持不变，只考虑作用在气泡上的浮力和单个气泡的运动就取决于这两个力之间的平衡，应用牛顿第二定律即物体运动的质量乘以加速度等于作用在物体上的合力，以气泡为研究对象，我们可以得到： 方程右边第一项是泡浴缸的阿基米德浮力，第二项是圆球阻力公式， ρ 是流体密度， V 是气泡体积， C D 是阻力系数， S p 是气泡在流动方向上的投影面积， U 是气泡速度， m 是气泡质量。 由量纲分析我们可以估算出，气泡从静止到达匀速运动的时间非常短，大概是 4 × 10 -7 秒。也就是说，大部分时间里我们看见的气泡都是匀速运动的。这时气泡受力平衡，上面方程式的左边为零。 流体力学家根据实验得到了阻力系数在不同流动状态下的经验公式，带入上式后解方程右边就可以得到气泡上升速度： 其中， Re 是气泡的雷诺数， ν 是流体的运动学粘性系数， D 为气泡直径， g 是重力加速度。我们知道，氮气气泡小，二氧化碳气泡大，所以氮气上升的速度慢，二氧化碳快。 原来，气泡下沉的秘密正是来由于这些氮气气泡在作祟，我们知道，氮气气泡小，二氧化碳气泡大，所以氮气气泡上升的速度慢，二氧化碳气泡上升快。 杯子中央快速上升的二氧化碳带动了啤酒向上流动，而杯子周围的啤酒被迫向下流动，这些微小的氮气气泡虽然有浮力往上拉，但依然拗不过向下的环流，便被一同拉下杯底，流入杯子的中央上升区。因此，我们便看到了白色的氮气泡在深色的世涛中向下翻滚。 这个解释让人豁然开朗，它合理解释了上述所有看似矛盾的现象。人们曾经很纳闷：为什么我们透过杯子壁看到气泡明明在下降，可是最终气泡们却都聚集到了液面上？原来他们看到的只是其一，还有其二，那就是杯子中央看不到的地方，气泡们在飞快地上升呢。是黑啤的黑褐色遮挡了人们的视线，让人无法看到杯子中央到底发生了什么，而液面又全是气泡们在堆积，通过液面也看不到液面下发生了什么，于是只能看到杯子边缘不断下降的气泡。 3. So easy !? 就这么简单？当然不是，经过多次实验，科学家发现这种逆向流动气泡的现象可不是随便出现的，只有在英式品脱杯中才会出现。 当气泡形成继而上浮时，尽管气泡垂直上升，但是由于这种玻璃杯存在一个向外扩张的坡度，气泡会相对远离壁面，从而形成富含气泡的中心和气泡稀疏的外围，中央平均密度小，因此液体就会上升，而四周液体平均密度大，所以下沉，好似一个已经存在“中升周降”环流。 爱尔兰数学家通过一个基于 MATLAB 的计算流体力学软件,假设啤酒中的气泡随机分布在啤酒内部，气泡在模拟过程中保持直径为 122 μm的圆球状（用我们上面推导的公式可以得知，气泡的速度大约为 4 mm/s），由于流速很低，他们进一步假设流动是平稳的层流，经过粗略测量，估计出啤酒杯中，气泡的总体积占到玻璃杯的 2%，最后也是最重要的一点，他们测量了这种曼妙的啤酒杯的三围并应用到他们的模拟中去。 根据这些数据和气泡以及啤酒的属性，他们开始了数值模拟。模拟结果不但印证了先前的推测啤酒杯中间的气泡以上升为主，杯子中央的液体也被带动，形成了一股中央的上升流动并且在表面向四周扩散开来，顺着玻璃杯壁面飞流直下；他们还进一步发现这种啤酒杯的外形设计还会锦上添花，让下行啤酒流更加剧烈。 |
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