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趣说空泡(12):“可乐喷泉”现象的物理机制 精选

已有 10622 次阅读 2012-11-9 05:50 |个人分类:趣说空泡|系统分类:科普集锦|关键词:可乐喷泉,空泡,物理机制| 空泡, 物理机制, 可乐喷泉

趣说空泡(12): “可乐喷泉”现象的物理机制

张宇宁

 

如果将口香糖放入到可乐瓶中,我们会发现瓶中迅速产生大量的气体并从瓶口像喷泉一样喷涌而出,称之为“可乐喷泉”(或者“沸腾可乐”)现象(见图一)。实际上,其他物质的组合也可以不同程度的产生类似的现象。比如,口香糖可以被替换为盐,沙粒,沸石等;可乐可以被替换成其他汽水饮料(如雪碧,七喜)或者啤酒等。本文主要介绍“可乐喷泉”现象中的物理机制。

 


图一 “可乐喷泉”现象

 

产生“可乐喷泉”现象主要有两个原因:

 

1.       表面粗糙度。表一显示了几种物质的表面粗糙度的数据。如果某种物质的表面粗糙度的值比较大,意味着该物质的表面积和体积的比值也相应的较大。当该物质与可乐等接触时,接触的面积也相应的增加,为(二氧化碳)气泡的成长提供良好的条件。例如Wint-o-Green Lifesavers(一种美国产的水果味的环形硬糖)的表面粗糙度是矿盐(Rock Salt)的十五倍以上,因此前者产生的“可乐喷泉”效应要远大于按后者(见表二)。2006年,流言终结者节目(Mythbusters)对表面粗糙度的影响进行了实验的验证。该节目将曼妥思(Mentos)口香糖的表面采用较为平滑的像腊一样的材料覆盖,再将其投入到可乐瓶中,发现两者的混合几乎无法产生“可乐喷泉”。而将曼妥思口香糖直接放入到可乐中,却可以迅速产生大量的空泡。因此,表面粗糙度在“可乐喷泉”现象中起着重要作用。

2.       表面活性剂。口香糖里面一般都含有阿拉伯胶(gum arabic),是一种广泛使用的食品添加剂。阿拉伯胶可以降低水中的表面张力,有利于气泡的形成。例如表二中,只向可乐中加入液态的阿拉伯胶也能产生一定的“可乐喷泉”现象,说明了表面活性剂(如阿拉伯胶)的重要性。因此尽管Wint-o-Green Lifesavers的表面粗糙度是曼妥思(Mentos)口香糖的六倍左右,但二者产生的“可乐喷泉”效应却相当,主要原因就是曼妥思口香糖中的表面活性剂(如阿拉伯胶等)所产生的作用。

 

 

表一 几种物质的(均方根)表面粗糙度。版权归American Physics Journal所有。

 

 

表二 不同物质和可乐混合形成的“可乐喷泉”的定量分析。如果质量损失比较大(Mass lost)表明所产生的可乐喷泉的效果越明显。可乐瓶在实验的时候倾斜10度放置以防止喷出的可乐回流到瓶中。版权归American Physics Journal所有。

 

其他影响“可乐喷泉”现象的因素还包括温度,咖啡因和其他添加剂,如苯甲酸钾和天冬甜素。苯甲酸钾和天冬甜素可以降低在可乐中产生气泡所需要克服的能量,有利于气泡的产生。温度的升高也有利于“可乐喷泉”现象的产生。额外大量添加咖啡因会对“可乐喷泉”现象有影响,但可乐中本身含有的咖啡因的量非常少,并不足以影响“可乐喷泉”现象。

 

尽管此前网上曾经广泛流传有巴西的小孩因同时食用口香糖和可乐而死亡,但该流言已经被辟谣(详见http://www.snopes.com/horrors/freakish/mentos.asp)。尽管食用二者会感觉不舒服,但尚无实例证实同时食用二者会导致死亡。这可能是由于在人体环境下二氧化碳会形成碳酸,使气泡的产生不至于那么剧烈的缘故




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