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拿鐵咖啡的物理

104/04/13 瀏覽次數 8973
台灣咖啡連鎖店到處林立,人手一杯外帶咖啡,呈現了都市生活快速步調的一面。為了便於攜行,店家會在紙杯上套一個封蓋,除了保溫也防止咖啡因為晃動而濺出。令人好奇的是,如果不加封蓋,哪一種咖啡比較不容易灑出紙杯?詢問店員,十之八九會告訴你是拿鐵咖啡。其實,除了咖啡之外,啤酒也有類似的情形。這兩種飲料的共同特徵是表面總是覆蓋著一層泡沫,顯然,泡沫跟它們不容易潑灑的特性有關,但是原因到底是什麼?

最近,這個謎底被科學家解開了。他們發現泡沫是很好的避震器,薄薄的幾層泡沫就足以明顯抑制液體的晃動。這項研究發表在美國物理聯合會(American Institute of Physics)發行的期刊《流體物理》 (Physics of Fluids)。

為了把這個在咖啡館和酒吧的生活小經驗轉化為嚴肅的科學研究題目,研究人員在實驗室建造了一個狹長的玻璃槽,裡面充滿了水加上甘油(用來增加流體的黏滯性)和廚房清潔劑的混合液,以便能更系統化地測試泡沫阻尼的能力,並將固定流量的空氣注入玻璃槽底部的針孔,製造出厚度為3毫米的均勻氣泡層。研究人員設計了兩種類型的搖動,分別是具有快速劇烈的震動或是穩定的往復搖動。

他們以高速攝機影機錄下液體因搖動產生的微小波瀾,並與正常情況下的液體進行比較,結果發現泡沫的產生會使得液體變得穩定。他們更進一步發現,僅需五層泡沫便足以將晃動的振幅減小到十分之一。研究小組認為,泡沫藉由與容器側面的摩擦來消耗液體晃動的能量。超過五層以上的泡沫並不會產生太多額外的阻尼,因為泡沫的上層並沒有真正移動。研究小組還發現,與容器壁沒有接觸的泡沫,對於提高阻尼很難有幫助。

液體在容器內晃動的現象,不只發生在咖啡連鎖店的外帶咖啡,也發生在裝載石油或是液化氣等危險液體的大型油罐車上。在長途運輸過程中,油罐車儲存槽內劇烈晃動的液體會在儲存槽壁上產生相當大的壓力,可能導致儲存槽破裂或車輛機械故障,因而造成重大的公共安全問題。如果能降低儲存槽內液體的晃動,將能有效提高運輸大量危險液體的安全性,而上述對泡沫的研究或許提供了一個簡單且低成本的方法。(本文由科技部補助「學習在雲端―揭開科學與科技的神秘面紗」執行團隊撰稿)

責任編輯:盧妍竹
審校:張惠博
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