自愈合肥皂膜

1904 年，Lucien Bull 在进行高速摄影实验时，记录了一颗弹丸穿过肥皂泡的过程。我们研究了允许刚体穿过半球形肥皂膜而不使其破裂的动力学机制。在这段流体力学视频中，球体从半球形肥皂膜上方由静止释放。在撞击时，肥皂膜拉伸并在球体周围形成一个空腔。随着球体继续下降，膜空腔发生颈缩，薄膜恢复到初始的半球形形状。通过对膜 - 球 - 空气界面的仔细观察，肥皂膜的稳定性似乎源于球体惯性与膜张力之间的平衡。因此，相关的实验参数是韦伯数：$We=\rho*2*g*h*R*\sigma$，其中 $R$ 是球体半径，$h$ 是球体下落的高度。我们改变球体半径和速度以提供一系列韦伯数，从而研究膜稳定性的依赖性。在观察到的韦伯数实验范围内出现了三个微妙不同的机制。第一个机制 ($We<3200$) 表现为类似悬链线的空腔形状，其在靠近球体和半球形表面处均发生颈缩。第二个机制 ($3200<We<6100$) 表现为均匀变窄的空腔，类似于倒置圆锥体，其在靠近球体处发生颈缩。第三个机制最初看起来与第二个相似，但更大的球体惯性 ($6100<We$) 拉长了空腔形状，导致颈缩和空腔坍塌具有非均匀性质。