牛奶、洗洁精与逃跑的表面张力
一滴洗洁精落进一盘牛奶,会激起持续约三秒的爆发,画出你无法精确复现的图案。驱动力是表面张力差,而不是洗洁精在推牛奶。
材料
| 材料 | 用量 | 替代方案 |
|---|---|---|
| 全脂牛奶 | 150 毫升,室温 | 半脱脂也行;脱脂牛奶的爆发弱得多 |
| 洗洁精 | 5 毫升,装在小碟里 | 洗手液,按 1:1 兑水 |
| 白色浅盘 | 1 个,直径至少 22 厘米 | 有边的烤盘,底下垫白纸 |
| 棉签 | 1 支 | 移液管或滴管 |
| 食用色素 | 4 滴,不同颜色,可选 | 不加也行,脂肪和洗洁精本身就会拖出可见的旋涡 |
| 手机相机 | 1 台 | 没有替代品;图案几秒钟就没了 |
操作步骤
把 150 毫升牛奶倒进盘子,静置两分钟,直到液面完全静止。
观察要点: 牛奶还有任何晃动,图案在你开始之前就会被搅花。
如果加色素,在液面上按方形滴四滴,彼此间隔 3 厘米。
观察要点: 色滴散成约一厘米宽的圆片后就停住不动了。
用棉签蘸洗洁精,在盘心轻触一秒后提起。
观察要点: 颜色在一秒内向外窜开,中心留下一块干净的空白,前面顶着一圈被推着走的牛奶。
换一支新蘸了洗洁精的棉签触另一个位置,观察移动方向的变化。
观察要点: 每次爆发都更弱,因为液面已经部分被表面活性剂覆盖。
用棉签尖端轻轻搅一下,看看液膜还剩什么。
观察要点: 爆发之后搅拌只会得到一团暗淡均匀的混合物,不再有任何自主运动。
原理
牛奶是奶油脂肪滴和蛋白质悬浮在水中的乳浊液,表面覆盖着一层蛋白膜,表面张力约为 50 毫牛每米。洗洁精里的表面活性剂能把表面张力降到约 25。棉签接触牛奶的瞬间,表面活性剂沿着表面向外铺开,并拖动下面的液体。水从低张力区流向高张力区,把色素和脂肪一起带走。这就是马拉戈尼效应:流动由表面张力梯度驱动,而不是重力或搅拌。整个表面被覆盖之后,梯度消失,运动停止。
可以这样理解: 想象一张四周固定、被绷紧的橡胶膜。在中间剪开一个小口,膜就会从切口处向外收缩。洗洁精并没有推牛奶,它只是在一点上卸掉了张力,剩下的事由其他部分的表面来完成。
清理与处置
牛奶连水倒进水槽冲掉。盘子务必冲洗干净,残留的乳脂干后会有异味。牛奶和洗洁精都是食品级,无需特殊处理。棉签直接丢掉,不要重复使用,否则会把表面活性剂带进下一次尝试。
实验台笔记
先把液面弄静
这张卡失败的原因里,液面未静比其他所有原因加起来都多。倒完牛奶,等,并且整整两分钟别碰盘子。
Observed / 实测20 摄氏度的全脂牛奶,前沿在一秒内推进约 9 厘米;脱脂牛奶约 4 厘米。
脂肪在做什么
色素并不溶于牛奶,它被带着走在液面和脂肪相上。所以即使不加色素,盘子仍会显出淡淡的灰白旋涡:你看到的是脂肪和水以不同速度移动。
Observed / 实测爆发后静置两分钟,脂肪滴会重新被蛋白包裹,表面张力回到约 42 毫牛每米。
虽是家常材料,规矩照旧
值得一试的变体
- 同时用三个盘子比较全脂、半脱脂、脱脂牛奶,按一秒内前沿推进的距离排序。
- 在一盘清水上滴一滴橄榄油,再用洗洁精去碰它:油滴会裂开并贴着水面滑走。
- 在水面上撒一层极薄的黑胡椒粉代替牛奶,用洗洁精去碰,看胡椒粉如何向盘边退去。
实验台上常被问到的问题
- 是洗洁精把牛奶往外推吗?
- 不是。洗洁精落在哪里,哪里的表面张力就降低,于是周围张力更高的液面收缩,把液体从那个点向外拉。运动来自其余液面的拉拽,而不是洗洁精的推挤。
- 为什么全脂牛奶比脱脂效果好?
- 奶油脂肪滴让运动中的液面有可见的东西可以被带着走,同时它们也会干扰蛋白膜。脱脂牛奶同样有效,只是旋涡更淡、消失更快。
- 为什么几秒后就停了?
- 表面活性剂一直铺展到整个液面被均匀覆盖。各处表面张力不再有差别,也就没有梯度去驱动流动,盘子就安静下来了。