提起超音速?zèng)_擊波，我們可能下意識(shí)會(huì)聯(lián)想到核爆炸、噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)、火箭發(fā)射等。這些能量瞬間爆發(fā)的過(guò)程，無(wú)論怎么看，都與開(kāi)香檳相去甚遠(yuǎn)。但有趣的是，據(jù)“香檳學(xué)”研究顯示，香檳開(kāi)瓶很像是一次迷你火箭發(fā)射，二者均會(huì)產(chǎn)生超音速?zèng)_擊波。
一陣猛烈搖晃之后，我們緊盯著香檳酒瓶，期待著瓶塞在下一秒就彈射出去。隨著“砰”的一聲，酒液和泡沫噴涌而出，人群中也爆發(fā)出歡呼聲 —— 這是慶祝活動(dòng)中常見(jiàn)的一幕。但是這并非打開(kāi)香檳的正確方式，反而相當(dāng)危險(xiǎn)，每年都有人因此受傷。
讓我們重新來(lái)過(guò)，不去搖晃香檳酒，拆開(kāi)覆在軟木塞上的鐵絲網(wǎng)。一手按著瓶塞，一手緩慢旋轉(zhuǎn)瓶身，瓶塞會(huì)自然地被瓶?jī)?nèi)氣壓慢慢頂出，然后“?！钡囊宦晱棾鰜?lái)，隨后瓶口出現(xiàn)淡淡的白霧。
也許是那抹白霧令人在意，在 2019 年《科學(xué)?進(jìn)展》（Science Advances）的一篇文章里，物理學(xué)家化身“香檳學(xué)者”，突發(fā)奇想地用高速攝像機(jī)拍攝了香檳開(kāi)瓶的瞬間。他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，瓶塞彈出后，瓶中噴射的高壓氣流竟會(huì)形成超音速?zèng)_擊波。
超音速?zèng)_擊波，本質(zhì)上是物體進(jìn)行超音速運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)周圍介質(zhì)（比如空氣）產(chǎn)生擾動(dòng)，從而不斷在物體前方形成壓縮氣流。這些壓縮氣流攜帶了巨大的能量，會(huì)以超音速氣浪的形式向四周沖擊。
▲ 圖片右上角為拍攝時(shí)間：從 583 微秒到 1000 微秒。高速攝像機(jī)捕捉到，馬赫環(huán)（箭頭所指位置）從離瓶口較近的圖 A 位置，逐漸遠(yuǎn)離瓶口至圖 E 位置，直到圖 F 完全消散。（圖片來(lái)源：原論文）
馬赫環(huán)
氣流通常是無(wú)色的，這意味著我們無(wú)法直接看到?jīng)_擊波。那為何還能用攝像機(jī)捕捉到香檳瓶口的超音速?zèng)_擊波呢？事實(shí)上，與其說(shuō)我們看到了超音速?zèng)_擊波，不如說(shuō)是觀察到了只有超音速氣流才能形成的現(xiàn)象。
當(dāng)你仔細(xì)觀察這幾張香檳開(kāi)瓶瞬間的照片時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)有一條白線正逐漸遠(yuǎn)離瓶口，直至消散。而如果你從瓶口正上方向下看，會(huì)發(fā)現(xiàn)這條線其實(shí)是個(gè)圓環(huán) —— 這就是馬赫環(huán)（mach disk）。
如果你留心過(guò)超音速飛機(jī)起飛或者火箭發(fā)射，也許會(huì)注意到，它們的尾部總帶有一串明亮的光環(huán)，這也是馬赫環(huán)。火箭和飛機(jī)都需要噴射超音速氣流來(lái)獲得強(qiáng)大推力。噴出的超音速氣流壓力很高，所以當(dāng)它從噴管噴入大氣中時(shí)，會(huì)直接膨脹；但膨脹后的氣流壓力又會(huì)低于大氣壓，因此會(huì)再次被壓縮。如此一來(lái)，超音速氣流會(huì)在膨脹與壓縮間往復(fù)循環(huán)，這個(gè)過(guò)程會(huì)形成膨脹波與壓縮波，二者在傳播過(guò)程中相遇疊加，就形成了一個(gè)個(gè)的圓環(huán)，也就是馬赫環(huán)。
不難看出馬赫環(huán)現(xiàn)象出現(xiàn)的必要條件：一是超音速氣流；二是氣流壓力與環(huán)境壓力不等。前者滿足沖擊波出現(xiàn)的條件；而后者能使氣流發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生不同的波。
香檳瓶口的馬赫環(huán)與火箭尾部的馬赫環(huán)成因相同，但二者有一個(gè)顯著區(qū)別：超音速氣流的溫度。香檳瓶塞彈出的瞬間，瓶?jī)?nèi)氣流快速溢出，導(dǎo)致瓶?jī)?nèi)氣壓與溫度驟降，二氧化碳和水蒸氣混合物會(huì)凝結(jié)成冰晶，形成灰白色霧氣。也因此，香檳瓶口的馬赫環(huán)會(huì)出現(xiàn)在白霧中。而火箭噴射的氣流溫度過(guò)高，會(huì)點(diǎn)燃混于其中的少量燃料，讓馬赫環(huán)在其中格外耀眼。
瓶塞彈出的瞬間
然而，雖然知道香檳瓶口噴射的氣流能超過(guò)音速、產(chǎn)生馬赫環(huán)，但具體的過(guò)程和物理機(jī)制尚未明確。今年，在一篇發(fā)表在《流體力學(xué)》（Physics of Fluids）雜志的文章里，科學(xué)家通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，進(jìn)一步揭示了在香檳瓶塞彈出的 1 毫秒（1000 微秒）中，沖擊波形成、演變、最終消散的過(guò)程。
香檳酒富含二氧化碳，瓶中的氣壓約是大氣壓的 6 倍，瓶中壓縮的二氧化碳?xì)怏w會(huì)不斷地向軟木塞施加向外的推力，想將它頂出去。在穩(wěn)定情況下，軟木塞與瓶壁間的靜摩擦力會(huì)與向外的推力相平衡。然而一旦你開(kāi)始扭動(dòng)軟木塞，靜摩擦力會(huì)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦力，不再能與氣壓抗衡。瓶塞此時(shí)就如火箭一般，蓄勢(shì)待發(fā)。
▲ 計(jì)算機(jī)模擬圖像。從上至下，每行分別對(duì)應(yīng)沖擊波演化的第一階段、第二階段到第三階段。第一行 500 微秒時(shí)，木塞剛剛彈出，氣流只能沿著瓶塞與瓶口的縫隙橫向膨脹；第二行 917 微秒時(shí)，木塞離瓶口一定距離，氣流能直接噴射，但會(huì)與瓶塞碰撞形成彎曲的沖擊波；第三行 1167 微秒時(shí)，瓶?jī)?nèi)外氣壓差降低，無(wú)法支撐氣流以超音速逸出。從左至右，每列分別顯示流速、氣壓和溫度的空間分布。結(jié)合行與列變量，可以對(duì)應(yīng)看出每一階段的狀態(tài)，及其對(duì)應(yīng)不同變量的區(qū)間分布。（圖片來(lái)源：原論文）
根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬，軟木塞彈出后的 1 毫秒中，超音速氣流的變化可分為三個(gè)階段描述：
軟木塞彈出的第一階段（600 微秒內(nèi)），瓶?jī)?nèi)的二氧化碳?xì)饬鲿?huì)以超音速逸出，這個(gè)過(guò)程與火箭發(fā)射的氣流加速過(guò)程極為相似。火箭尾部的噴管是兩邊寬中間窄的漏斗形狀，也叫做拉瓦爾噴管（Laval nozzle）。引燃后加熱的高壓氣流在通過(guò)噴管逐漸收窄的前半部分時(shí)，會(huì)不斷壓縮、加速。而香檳瓶頸處收窄的形狀也起到了類似的效果，讓氣流在瓶口處加速至超音速。
就像人群堵塞在狹窄路口時(shí)行進(jìn)速度緩慢，而一旦走到開(kāi)闊空間會(huì)分散加速一樣，氣流經(jīng)過(guò)狹窄路徑壓縮后進(jìn)入到開(kāi)闊空間，也會(huì)急于膨脹加速。因此高壓的氣流在逸出瓶口、進(jìn)入相對(duì)低壓的外界環(huán)境時(shí)，會(huì)獲得超音速；而火箭氣流則是在噴管后半部分就能達(dá)到超音速。與火箭不同的是，香檳瓶口的瓶塞由于運(yùn)動(dòng)速度相比氣流過(guò)慢，會(huì)阻礙氣流直接噴射。這一階段的超音速氣流只能沿著瓶塞與瓶口的縫隙，橫向膨脹逸出，形成冠狀的沖擊波，同時(shí)出現(xiàn)馬赫環(huán)現(xiàn)象。
軟木塞離開(kāi)瓶口的第二階段（600-1000 微秒間），隨著瓶?jī)?nèi)氣體不斷逸出，終于能像火箭氣流一樣徑直噴射出去，隨即會(huì)與稍遠(yuǎn)些的軟木塞發(fā)生碰撞，從而形成彎曲的沖擊波。
而到了第三階段（超過(guò) 1000 微秒），酒瓶?jī)?nèi)的壓力逐漸與大氣壓相平，無(wú)法維持瓶口處的壓力差，氣流失去了動(dòng)力。因此噴射的氣流將不斷減速，直到低于音速，沖擊波徹底消散。
源于生活的啟發(fā)
這項(xiàng)有趣的研究將火箭發(fā)射與香檳開(kāi)瓶關(guān)聯(lián)到一起，不僅推動(dòng)了“香檳學(xué)”研究進(jìn)展，還能為一系列重要應(yīng)用的研究提供參考，比如火箭發(fā)射和導(dǎo)彈發(fā)射的彈道學(xué)研究。這項(xiàng)研究也可以幫助開(kāi)發(fā)水下航行器和風(fēng)力渦輪機(jī)的工程師，讓他們能更好地理解流體動(dòng)力學(xué)（流動(dòng)的物質(zhì)在力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律）過(guò)程。
然而事實(shí)上，我們身邊不只有香檳開(kāi)瓶會(huì)產(chǎn)生超音速?zèng)_擊波。不知你是否留意過(guò)生活中兩種極具穿透力的聲音：撕透明膠帶時(shí)的“撕拉！”聲，以及公園里甩鞭鍛煉時(shí)的“啪！啪！”聲。
如果大力地撕膠帶，你會(huì)發(fā)現(xiàn)膠帶總是被一截截地扯開(kāi)，聽(tīng)上去是一段段的“撕拉”聲。當(dāng)你用力將膠帶撕離附著表面時(shí)，膠帶粘合劑會(huì)像彈簧一樣拉伸，并儲(chǔ)存彈性勢(shì)能（所以無(wú)法連續(xù)地撕開(kāi)）。在粘合劑“彈簧”承受不住更大的拉力斷裂后，累積的彈性勢(shì)能會(huì)立刻轉(zhuǎn)化為膠帶分裂邊緣（附著膠帶與分離膠帶的分界線）的動(dòng)能。
如果用高速攝像機(jī)拍攝這一過(guò)程，你會(huì)看到膠帶分裂邊緣會(huì)以每秒 650 到 900 米的速度運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)超音速，甚至超過(guò)了戰(zhàn)斗機(jī)的速度。這意味著附著膠帶每一次積攢勢(shì)能、而后剝離，都會(huì)釋放微小的超音速?zèng)_擊波。所以不難理解，在我們聽(tīng)來(lái)，一次次迷你音爆的疊加當(dāng)然會(huì)很刺耳。
▲ 撕透明膠帶時(shí)，總避免不了刺耳的“撕拉”聲（圖片來(lái)源：Pixabay）
而公園里響亮的“啪！啪！”甩鞭聲，有人可能會(huì)誤以為這是鞭子抽打在地上發(fā)出的聲響，但其實(shí)這都是一個(gè)個(gè)在空中爆發(fā)的迷你超音速?zèng)_擊波。人在用力甩動(dòng)鞭子時(shí)，會(huì)將動(dòng)能傳遞給鞭子。通常鞭子手柄部分更粗、質(zhì)量也更大，當(dāng)動(dòng)能沿著柔軟的鞭身傳遞到又細(xì)又輕的鞭梢時(shí)，為保證動(dòng)量守恒，鞭梢速度會(huì)遠(yuǎn)大于手柄的速度，很容易超過(guò)聲速，從而形成局部的超音速?zèng)_擊波。
這個(gè)現(xiàn)象，也被稱為鞭梢效應(yīng)。它與香檳開(kāi)瓶一樣，源于生活，但也蘊(yùn)含著復(fù)雜的物理機(jī)制。
現(xiàn)在，如果有人問(wèn)：香檳，膠帶和鞭子三者有何共通之處？
你知道該怎樣回答了嗎？
論文鏈接：
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
參考鏈接：
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
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：環(huán)球科學(xué) （ID：huanqiukexue），撰文 ：不周 審校 ： 二七
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