那个炸油条的师傅，可能是流体力学专家

欢迎大家来到IT世界,在知识的湖畔探索吧!

图片来源：Pixabay

每一口发出嗞啦、砰砰、嘶嘶、噼里啪啦等不同声音的油锅，里面的气泡都可以被分成三类，每一类对应一种声音。最近，几位醉心于美食物理学的科学家们使用高速摄像机和麦克风记录下了炸东西时产生的气泡，用数据代替经验，力求做一个能听懂油锅、躲开飞溅热油的好厨子。

食物下锅的瞬间，升腾的热气伴随着噼里啪啦的响声，不知抚慰了多少疲惫的灵魂。油炸食品是跨越文化和时代的美食，快餐里的炸薯条、日料里的天妇罗、路边早摊上的油条……食物在油锅里发出的声音不仅能勾起食客的馋虫，也引发了物理学家的兴趣。

为了探究炸东西的声音是怎么形成的，美国犹他州立大学（Utah State University）的 Akihito Kiyama 和来自加拿大滑铁卢大学（University of Waterloo）、沙特阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science and Technology）的同事们用摄像机和麦克风记录下了无数个“油炸瞬间”：他们用流体力学方法分析了水滴进入热油时产生的气泡和声音，还解释了飞溅热油的形成过程，在学术期刊《流体物理学》（Physics of Fluids）上发表了一篇论文。

在实验室里炸一张纸和一滴水

对于这种小气泡，前人的研究主要集中在一个领域：用液滴撞击加热的液体，研究其后的动力学过程。科学家们曾经把水（甚至甲醇）滴到不同厚度的热花生油、大豆油、芥子油表面上，研究水滴的蒸发和飞溅（看起来每一种油都帮助了一篇论文发表）。自带气泡的碳酸饮料当然也没有被放过——有人把它倒入啤酒研究气泡分布。

在这项新研究里，为了降低难度，研究者打算先模仿“二维的食物”做一个预研究——就像炸虾片那样，炸一张蘸了水的纸。预研究帮助他们把气泡分成了三类：油面会爆炸飞溅的“爆炸腔”（Explosion cavity），向下喷射形成的“拉长腔”（Elongated cavity），对液面周期性扰动、也会导致小型飞溅的“振荡腔”（Oscillating cavity）。

然后，他们直接把二维降到了零维：在实验室里，用炸食物的油温来炸一滴水。这个操作并不新奇，但其他研究都是让液滴自由下落，撞击油的表面。而他们不一样：研究者精心设计了实验装置，参考燃烧实验所用的“悬滴法”，把一滴体积不到 4 μL 的蒸馏水沉到悬线底部，然后使用手动平台将其浸入油中，以此来控制液滴的浸入深度。后续的实验表明，液滴初始深度是很重要的参量之一，因此对深度的控制变得非常重要。

实验装置示意图。来源：论文

油用的是菜籽油，温度控制在 170-210 ℃ 之间，大约是炸食物的温度，也不至于使菜籽油热得冒烟。容器外放置了高速摄像机，可以拍下水滴变化的清晰图像。由于圆形玻璃容器会在水平方向上扭曲图像，所有的距离都是竖直测量的。

三类气泡

和预实验相同，“炸水滴”产生的气泡也都被分成了三类。

室温水滴进入热油后受热汽化，形成油内气泡空腔。如果这个气泡初始位置离液面很近，足以撞破液面，就会使油花飞溅，属于爆炸腔；如果气泡初始位置稍微远一些，撞不破液面，相互作用形成液面上和气泡内的上下两股射流，属于拉长腔；如果气泡离得更远，在振荡过程中始终保持球形，腔体的快速膨胀产生密度波扰动油面，则属于振荡腔。

a 爆炸腔、b 拉长腔、c 振荡腔。图片来源：论文

热油飞溅背后的物理学

每一类气泡都被高速摄像机拍下汽化膨胀的过程，并记录下它在时间和频率上的声音特征。爆炸腔和拉长腔的基频是相同的，这意味着声音主要源于气泡的前期膨胀过程；振荡腔的基频稍小一些，其声音源于气泡体积的周期性振荡。

对于爆炸腔，气泡快速膨胀撞破液面，热油形成了飞溅液滴（气溶胶）。我们可以观察到油面上展开一簇水花，而油面下的气泡保持半球形，直到底部开始向上移动。气泡的深度和时间存在幂律关系，当深度达到最大值时，气泡开始变平，油面上方的喷射也会形成一个穹顶。

爆炸腔气泡声音信号的变化趋势和形态变化同步。在气泡形成阶段，声音信号很弱；当气泡撞破液面形成飞溅时，声音迅速达到峰值，这说明爆炸是声音的主要来源；之后声音随时间衰减，在 5 ms 后几乎为零，峰值频率约为 1.4 kHz。

对于拉长腔，由于气泡无法撞破液面，气泡向液面靠近时，相互作用令油面向上形成油柱，气泡顶部向下形成一个内凹型空腔。这类气泡的声音峰值信号在 1 ms 时被捕捉到，峰值频率也在 1.4 kHz 左右，和爆炸腔的峰值频率是相同的。不过，拉长腔声音的主要来源是 1 ms 内气泡的快速膨胀，而并不是气泡在之后的拉长。在 5 ms 之后，声音信号仍有较小的波动，可能是因为气泡的持续存在。

有趣的是，研究者们在水滴进入热油 13 ms 后，观察到了“子液滴”的出现。同样的现象在其他科学家用液滴撞击油面的实验中也能观察到。在这个例子里，拉长腔留下了一颗子液滴，这颗子液滴随后下沉，然后在一个更深的位置蒸发并形成振荡腔。这或许能够解释一种实际场景：炸东西时，油锅里产生了不同类型的气泡，导致了热油飞溅。

振荡腔气泡在水滴达到液面下 11 mm 的深度时产生。在前 3 ms，水滴汽化形成气泡并快速膨胀，之后 10 ms 气泡体积一直周期性地振荡，使得液面上原本存在的一些小气泡形成射流。这些液面上的小气泡可能被悬线浸入时带入，也可能是上一次实验的残留。在 13 ms 时，气泡达到最大体积并分解成许多小气泡，整体振荡减弱。

振荡腔气泡的声音信号也可以被分成这三个阶段，其中周期振荡的第二阶段是声音的主要来源。声音峰值频率在 0.8 kHz 左右，和该气泡的振荡频率相一致。二次谐波频率 1.6 kHz 则形成了一个次级峰。研究者认为，当油面上存在一些小气泡时，即使没有发生振荡腔气泡的破裂，也可能导致热油飞溅。气泡和油面的相互作用是一个非常复杂的现象，有待我们深入研究。

总之，这项研究证明了不同的气泡分类有不同的声学特征（幅度、基频和持续时间），这意味着这些油锅里的气泡在声音上是可以被区分的。可能不久以后，我们就能见到科学家们开发出声学传感器，通过检测油锅发出的高频噪音，帮助判定是否有溅射小油滴的产生。研究者也希望，对三种状态进行分类可能有助于理解炸东西时产生的更大液滴，使得厨房新手不用再害怕四处飞溅的油沫，让烹饪变得更安全，并防止火灾意外的发生。

参考链接：https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0088065