提起超音速沖擊波，我們可能下意識會聯(lián)想到核爆炸、噴氣式戰(zhàn)斗機、火箭發(fā)射等。這些能量瞬間爆發(fā)的過程，無論怎么看，都與開香檳相去甚遠(yuǎn)。但有趣的是，據(jù)“香檳學(xué)”研究顯示，香檳開瓶很像是一次迷你火箭發(fā)射，二者均會產(chǎn)生超音速沖擊波。
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 —— 這是慶祝活動中常見的一幕。但是這并非打開香檳的正確方式，反而相當(dāng)危險，每年都有人因此受傷。
讓我們重新來過，不去搖晃香檳酒，拆開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，瓶塞會自然地被瓶內(nèi)氣壓慢慢頂出，然后“?！钡囊宦晱棾鰜?，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拍攝了香檳開瓶的瞬間。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形成超音速沖擊波。
超音速沖擊波，本質(zhì)上是物體進行超音速運動時，會對周圍介質(zhì)（比如空氣）產(chǎn)生擾動，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，會以超音速氣浪的形式向四周沖擊。
▲ 圖片右上角為拍攝時間：從 583 微秒到 1000 微秒。高速攝像機捕捉到，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。（圖片來源：原論文）
馬赫環(huán)
氣流通常是無色的，這意味著我們無法直接看到?jīng)_擊波。那為何還能用攝像機捕捉到香檳瓶口的超音速沖擊波呢？事實上，與其說我們看到了超音速沖擊波，不如說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)觀察這幾張香檳開瓶瞬間的照片時，會發(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，會發(fā)現(xiàn)這條線其實是個圓環(huán) —— 這就是馬赫環(huán)（mach disk）。
如果你留心過超音速飛機起飛或者火箭發(fā)射，也許會注意到，它們的尾部總帶有一串明亮的光環(huán)，這也是馬赫環(huán)?；鸺惋w機都需要噴射超音速氣流來獲得強大推力。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，會直接膨脹；但膨脹后的氣流壓力又會低于大氣壓，因此會再次被壓縮。如此一來，超音速氣流會在膨脹與壓縮間往復(fù)循環(huán)，這個過程會形成膨脹波與壓縮波，二者在傳播過程中相遇疊加，就形成了一個個的圓環(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，但二者有一個顯著區(qū)別：超音速氣流的溫度。香檳瓶塞彈出的瞬間，瓶內(nèi)氣流快速溢出，導(dǎo)致瓶內(nèi)氣壓與溫度驟降，二氧化碳和水蒸氣混合物會凝結(jié)成冰晶，形成灰白色霧氣。也因此，香檳瓶口的馬赫環(huán)會出現(xiàn)在白霧中。而火箭噴射的氣流溫度過高，會點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音速、產(chǎn)生馬赫環(huán)，但具體的過程和物理機制尚未明確。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)家通過計算機模擬，進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與向外的推力相平衡。然而一旦你開始扭動軟木塞，靜摩擦力會迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ亮?，不再能與氣壓抗衡。瓶塞此時就如火箭一般，蓄勢待發(fā)。
▲ 計算機模擬圖像。從上至下，每行分別對應(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，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，木塞離瓶口一定距離，氣流能直接噴射，但會與瓶塞碰撞形成彎曲的沖擊波；第三行 1167 微秒時，瓶內(nèi)外氣壓差降低，無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，可以對應(yīng)看出每一階段的狀態(tài)，及其對應(yīng)不同變量的區(qū)間分布。（圖片來源：原論文）
根據(jù)計算機模擬，軟木塞彈出后的 1 毫秒中，超音速氣流的變化可分為三個階段描述：
軟木塞彈出的第一階段（600 微秒內(nèi)），瓶內(nèi)的二氧化碳?xì)饬鲿猿羲僖莩觯@個過程與火箭發(fā)射的氣流加速過程極為相似。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噴管逐漸收窄的前半部分時，會不斷壓縮、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行進速度緩慢，而一旦走到開闊空間會分散加速一樣，氣流經(jīng)過狹窄路徑壓縮后進入到開闊空間，也會急于膨脹加速。因此高壓的氣流在逸出瓶口、進入相對低壓的外界環(huán)境時，會獲得超音速；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動速度相比氣流過慢，會阻礙氣流直接噴射。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，同時出現(xiàn)馬赫環(huán)現(xiàn)象。
軟木塞離開瓶口的第二階段（600-1000 微秒間），隨著瓶內(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 1000 微秒），酒瓶內(nèi)的壓力逐漸與大氣壓相平，無法維持瓶口處的壓力差，氣流失去了動力。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)
這項有趣的研究將火箭發(fā)射與香檳開瓶關(guān)聯(lián)到一起，不僅推動了“香檳學(xué)”研究進展，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。這項研究也可以幫助開發(fā)水下航行器和風(fēng)力渦輪機的工程師，讓他們能更好地理解流體動力學(xué)（流動的物質(zhì)在力作用下的運動規(guī)律）過程。
然而事實上，我們身邊不只有香檳開瓶會產(chǎn)生超音速沖擊波。不知你是否留意過生活中兩種極具穿透力的聲音：撕透明膠帶時的“撕拉！”聲，以及公園里甩鞭鍛煉時的“啪！啪！”聲。
如果大力地撕膠帶，你會發(fā)現(xiàn)膠帶總是被一截截地扯開，聽上去是一段段的“撕拉”聲。當(dāng)你用力將膠帶撕離附著表面時，膠帶粘合劑會像彈簧一樣拉伸，并儲存彈性勢能（所以無法連續(xù)地撕開）。在粘合劑“彈簧”承受不住更大的拉力斷裂后，累積的彈性勢能會立刻轉(zhuǎn)化為膠帶分裂邊緣（附著膠帶與分離膠帶的分界線）的動能。
如果用高速攝像機拍攝這一過程，你會看到膠帶分裂邊緣會以每秒 650 到 900 米的速度運動，遠(yuǎn)超音速，甚至超過了戰(zhàn)斗機的速度。這意味著附著膠帶每一次積攢勢能、而后剝離，都會釋放微小的超音速沖擊波。所以不難理解，在我們聽來，一次次迷你音爆的疊加當(dāng)然會很刺耳。
▲ 撕透明膠帶時，總避免不了刺耳的“撕拉”聲（圖片來源：Pixabay）
而公園里響亮的“啪！啪！”甩鞭聲，有人可能會誤以為這是鞭子抽打在地上發(fā)出的聲響，但其實這都是一個個在空中爆發(fā)的迷你超音速沖擊波。人在用力甩動鞭子時，會將動能傳遞給鞭子。通常鞭子手柄部分更粗、質(zhì)量也更大，當(dāng)動能沿著柔軟的鞭身傳遞到又細(xì)又輕的鞭梢時，為保證動量守恒，鞭梢速度會遠(yuǎn)大于手柄的速度，很容易超過聲速，從而形成局部的超音速沖擊波。
這個現(xiàn)象，也被稱為鞭梢效應(yīng)。它與香檳開瓶一樣，源于生活，但也蘊含著復(fù)雜的物理機制。
現(xiàn)在，如果有人問：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
本文來自微信公眾號：環(huán)球科學(xué) （ID：huanqiukexue），撰文 ：不周 審校 ： 二七
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