葡萄干愛“跳舞”

抓一把葡萄干，把它們丟進碳酸飲料里會發生什么？葡萄干會老老實實地漂浮在碳酸飲料的表面，還是會漸漸下沉到碳酸飲料的底部呢？2017年，美國威斯康星大學麥迪遜分校的Spagnolie教授在家陪女兒玩耍時，曾做過這個小實驗。他發現，葡萄干會在碳酸飲料中“旋轉跳躍”，仿佛在翩翩起舞，而且這個過程會持續好幾分鐘，甚至長達1個小時。為了探究葡萄干“跳舞”背后的科學奧秘，他進行了一系列研究。

如果你也對葡萄干為何會在碳酸飲料里“旋轉跳躍”感到好奇，就一起跟著Spagnolie教授去尋找葡萄干“跳舞”的原因吧！

“跳舞”的動力

葡萄干為什么在碳酸飲料中如此活潑好動呢？這其實是碳酸飲料中的二氧化碳在發揮作用。碳酸飲料本質上是一種碳酸“過飽和”的液體，即碳酸飲料中含有的氣體超出了液體的容納能力。當我們打開裝有碳酸飲料的罐子，伴隨著“啪”的一聲，罐子里的壓力會下降，飲料里的二氧化碳就會不斷地“逃跑”到空氣中。這些二氧化碳“逃跑”的方式表現為一串串上升的氣泡。而正是這些氣泡，賦予了葡萄干在碳酸飲料中“跳舞”的動力。

葡萄干的密度比水大，所以葡萄干被扔進碳酸飲料里后，會先沉下去。葡萄干表面的那些微小的凹凸不平的地方，會為二氧化碳氣泡提供附著點。當越來越多的小氣泡附著在葡萄干上后，葡萄干就像穿上了一件小小的救生衣。隨著葡萄干上附著的氣泡越聚越多，它受到的浮力也越來越大。待小氣泡的組合密度比水的密度小時，葡萄干便會被氣泡拉著上升，“游”到液體表面。

但是，當小氣泡帶著葡萄干到達液體表面后，一部分小氣泡碰到外界的空氣，會“嘭”的一聲破裂。這時，葡萄干會因身上受到的浮力不對稱而在水中轉起圈來，導致更多的小氣泡破裂。過了一會兒，葡萄干因沒有了小氣泡“救生衣”的幫助，便慢慢地沉回到水底。而當葡萄干沉到水底后，它的表面又會吸引新的小氣泡，穿上新的“救生衣”，再次“游”上水面……這個過程不斷重復，讓葡萄干看起來像在水里跳舞。

如果將葡萄干放進剛開罐、氣泡豐富的碳酸飲料里，它會活力四射地跳上近20分鐘的“探戈”，然后才轉跳步伐舒緩的“華爾茲”，而且這一過程會持續1個小時左右。等葡萄干跳累了，它們才會“脫”下氣泡“救生衣”，一個接一個地沉到水底，像一個個疲倦的舞者一樣，躺在水底一動也不動。

盡管已經有了一些結論，但Spagnolie教授并不滿足于這樣簡單的答案，他想知道還有哪些因素影響了葡萄干的“舞蹈”。

接下來，Spagnolie教授用3D打印機打印了一個半徑為1厘米的小球，把它放在碳酸過飽和溶液里的固定位置上，并將一個精確的數字秤與其相連，以測量小球由于表面氣泡生長而受到的力。他發現，隨著氣泡在小球表面生長、聚集，小球受到的垂直向上的浮力逐漸達到極限，然后氣泡就會離開小球。而且，小球受到的最大浮力會隨時間推移而穩定下降。隨著把小球放進碳酸過飽和溶液里的時間越來越晚，液體中的氣體濃度越來越低，小球在表面積攢氣泡需要的時間也越來越長。接下來，Spagnolie教授讓小球在碳酸飲料里自由地運動，并用相機記錄了小球在碳酸飲料里2個小時的運動軌跡，發現小球剛開始時會一直“彈跳”，不停地靠近碳酸飲料的表面，清除身上的一部分氣泡。但隨著時間的過去，碳酸飲料里的氣泡越來越少，小球就不太能動了，只有遇到大氣泡時才能動一下。

有趣的是，葡萄干這種形狀不規則的、較小的物體不會像小球之類的形狀規則的、較大的物體一樣，依賴旋轉來“舞動”身體，反而會快速地左右搖擺，且更容易受到碳酸飲料中的單個大氣泡的影響，因此更容易呈現在垂直方向上的“舞蹈”。

瞧，Spagnolie教授的研究不僅讓我們對碳酸飲料里的小氣泡有了新的認識，還讓我們產生了探索生活中的科學知識的興趣。或許家里的廚房、客廳、陽臺都可以成為探索科學的實驗室，而每一次觀察和實驗也都可能成為我們理解世界的鑰匙。

（注：本文根據《發明與創造（小學生）》等期刊刊載的文章及環球科學微信公眾號登載的文章整編。）