啤酒敲击的物理学

在英语口语中被称为 beer tapping 的流行酒吧恶作剧，是指用固体物体（通常是另一个瓶子）敲击啤酒瓶顶部，使前者在几秒钟内大量起泡溢出。尽管这一戏法已为人知许久，但据我们所知，该现象仍缺乏科学解释。虽然很自然地会认为冲击诱导的空化通过打碎气泡促进了 CO$_2$ 从过饱和体液向气泡中的扩散，但发生这一过程的微妙机制仍属未知。在此我们表明，整个起泡溢出过程可分为三个阶段，不同的物理现象在不同时间尺度上发生，即：气泡坍塌（或空化）阶段、扩散驱动阶段和浮力驱动阶段。在气泡坍塌阶段，冲击在液体中产生一系列膨胀-压缩波，导致预先存在的气腔碎裂。气泡碎裂后，界面面积与体积之比的突然增加显著增强了质量传递，使气泡体积大幅增长，直到局部 CO$_2$ 耗尽。此时浮力起主导作用，使气泡云上升并最终形成浮力涡环，由于浮力诱导的上升速度与平流增强的 CO$_2$ 从体液到气泡的传输之间的反馈，其体积快速增长。这一爆炸性过程背后的物理学也可能与某些地质现象有关。