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每一口發(fā)出嗞啦、砰砰、嘶嘶、噼里啪啦等不同聲音的油鍋，里面的氣泡都可以被分成三類，每一類對應(yīng)一種聲音。最近，幾位醉心于美食物理學(xué)的科學(xué)家們使用高速攝像機和麥克風(fēng)記錄下了炸東西時產(chǎn)生的氣泡，用數(shù)據(jù)代替經(jīng)驗，力求做一個能聽懂油鍋、躲開飛濺熱油的好廚子。

食物下鍋的瞬間，升騰的熱氣伴隨著噼里啪啦的響聲，不知撫慰了多少疲憊的靈魂。油炸食品是跨越文化和時代的美食，快餐里的炸薯條、日料里的天婦羅、路邊早攤上的油條……食物在油鍋里發(fā)出的聲音不僅能勾起食客的饞蟲，也引發(fā)了物理學(xué)家的興趣。

為了探究炸東西的聲音是怎么形成的，美國猶他州立大學(xué)（Utah State University）的 Akihito Kiyama 和來自加拿大滑鐵盧大學(xué)（University of Waterloo）、沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)（King Abdullah University of Science and Technology）的同事們用攝像機和麥克風(fēng)記錄下了無數(shù)個“油炸瞬間”：他們用流體力學(xué)方法分析了水滴進入熱油時產(chǎn)生的氣泡和聲音，還解釋了飛濺熱油的形成過程，在學(xué)術(shù)期刊《流體物理學(xué)》（Physics of Fluids）上發(fā)表了一篇論文。

在實驗室里炸一張紙和一滴水

對于這種小氣泡，前人的研究主要集中在一個領(lǐng)域：用液滴撞擊加熱的液體，研究其后的動力學(xué)過程?？茖W(xué)家們曾經(jīng)把水（甚至甲醇）滴到不同厚度的熱花生油、大豆油、芥子油表面上，研究水滴的蒸發(fā)和飛濺（看起來每一種油都幫助了一篇論文發(fā)表）。自帶氣泡的碳酸飲料當(dāng)然也沒有被放過——有人把它倒入啤酒研究氣泡分布。

在這項新研究里，為了降低難度，研究者打算先模仿“二維的食物”做一個預(yù)研究——就像炸蝦片那樣，炸一張蘸了水的紙。預(yù)研究幫助他們把氣泡分成了三類：油面會爆炸飛濺的“爆炸腔”（Explosion cavity），向下噴射形成的“拉長腔”（Elongated cavity），對液面周期性擾動、也會導(dǎo)致小型飛濺的“振蕩腔”（Oscillating cavity）。

然后，他們直接把二維降到了零維：在實驗室里，用炸食物的油溫來炸一滴水。這個操作并不新奇，但其他研究都是讓液滴自由下落，撞擊油的表面。而他們不一樣：研究者精心設(shè)計了實驗裝置，參考燃燒實驗所用的“懸滴法”，把一滴體積不到 4 μL 的蒸餾水沉到懸線底部，然后使用手動平臺將其浸入油中，以此來控制液滴的浸入深度。后續(xù)的實驗表明，液滴初始深度是很重要的參量之一，因此對深度的控制變得非常重要。

實驗裝置示意圖。來源：論文

油用的是菜籽油，溫度控制在 170-210 之間，大約是炸食物的溫度，也不至于使菜籽油熱得冒煙。容器外放置了高速攝像機，可以拍下水滴變化的清晰圖像。由于圓形玻璃容器會在水平方向上扭曲圖像，所有的距離都是豎直測量的。

三類氣泡

和預(yù)實驗相同，“炸水滴”產(chǎn)生的氣泡也都被分成了三類。

室溫水滴進入熱油后受熱汽化，形成油內(nèi)氣泡空腔。如果這個氣泡初始位置離液面很近，足以撞破液面，就會使油花飛濺，屬于爆炸腔；如果氣泡初始位置稍微遠一些，撞不破液面，相互作用形成液面上和氣泡內(nèi)的上下兩股射流，屬于拉長腔；如果氣泡離得更遠，在振蕩過程中始終保持球形，腔體的快速膨脹產(chǎn)生密度波擾動油面，則屬于振蕩腔。

a 爆炸腔、b 拉長腔、c 振蕩腔。圖片來源：論文

熱油飛濺背后的物理學(xué)

每一類氣泡都被高速攝像機拍下汽化膨脹的過程，并記錄下它在時間和頻率上的聲音特征。爆炸腔和拉長腔的基頻是相同的，這意味著聲音主要源于氣泡的前期膨脹過程；振蕩腔的基頻稍小一些，其聲音源于氣泡體積的周期性振蕩。

對于爆炸腔，氣泡快速膨脹撞破液面，熱油形成了飛濺液滴（氣溶膠）。我們可以觀察到油面上展開一簇水花，而油面下的氣泡保持半球形，直到底部開始向上移動。氣泡的深度和時間存在冪律關(guān)系，當(dāng)深度達到最大值時，氣泡開始變平，油面上方的噴射也會形成一個穹頂。

爆炸腔氣泡聲音信號的變化趨勢和形態(tài)變化同步。在氣泡形成階段，聲音信號很弱；當(dāng)氣泡撞破液面形成飛濺時，聲音迅速達到峰值，這說明爆炸是聲音的主要來源；之后聲音隨時間衰減，在 5 ms 后幾乎為零，峰值頻率約為 1.4 kHz。

對于拉長腔，由于氣泡無法撞破液面，氣泡向液面靠近時，相互作用令油面向上形成油柱，氣泡頂部向下形成一個內(nèi)凹型空腔。這類氣泡的聲音峰值信號在 1 ms 時被捕捉到，峰值頻率也在 1.4 kHz 左右，和爆炸腔的峰值頻率是相同的。不過，拉長腔聲音的主要來源是 1 ms 內(nèi)氣泡的快速膨脹，而并不是氣泡在之后的拉長。在 5 ms 之后，聲音信號仍有較小的波動，可能是因為氣泡的持續(xù)存在。

有趣的是，研究者們在水滴進入熱油 13 ms 后，觀察到了“子液滴”的出現(xiàn)。同樣的現(xiàn)象在其他科學(xué)家用液滴撞擊油面的實驗中也能觀察到。在這個例子里，拉長腔留下了一顆子液滴，這顆子液滴隨后下沉，然后在一個更深的位置蒸發(fā)并形成振蕩腔。這或許能夠解釋一種實際場景：炸東西時，油鍋里產(chǎn)生了不同類型的氣泡，導(dǎo)致了熱油飛濺。

振蕩腔氣泡在水滴達到液面下 11 mm 的深度時產(chǎn)生。在前 3 ms，水滴汽化形成氣泡并快速膨脹，之后 10 ms 氣泡體積一直周期性地振蕩，使得液面上原本存在的一些小氣泡形成射流。這些液面上的小氣泡可能被懸線浸入時帶入，也可能是上一次實驗的殘留。在 13 ms 時，氣泡達到最大體積并分解成許多小氣泡，整體振蕩減弱。

振蕩腔氣泡的聲音信號也可以被分成這三個階段，其中周期振蕩的第二階段是聲音的主要來源。聲音峰值頻率在 0.8 kHz 左右，和該氣泡的振蕩頻率相一致。二次諧波頻率 1.6 kHz 則形成了一個次級峰。研究者認(rèn)為，當(dāng)油面上存在一些小氣泡時，即使沒有發(fā)生振蕩腔氣泡的破裂，也可能導(dǎo)致熱油飛濺。氣泡和油面的相互作用是一個非常復(fù)雜的現(xiàn)象，有待我們深入研究。

總之，這項研究證明了不同的氣泡分類有不同的聲學(xué)特征（幅度、基頻和持續(xù)時間），這意味著這些油鍋里的氣泡在聲音上是可以被區(qū)分的?？赡懿痪靡院?，我們就能見到科學(xué)家們開發(fā)出聲學(xué)傳感器，通過檢測油鍋發(fā)出的高頻噪音，幫助判定是否有濺射小油滴的產(chǎn)生。研究者也希望，對三種狀態(tài)進行分類可能有助于理解炸東西時產(chǎn)生的更大液滴，使得廚房新手不用再害怕四處飛濺的油沫，讓烹飪變得更安全，并防止火災(zāi)意外的發(fā)生。

參考鏈接：https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0088065