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  • 1 # 木蝶jodia

    受邀回答,查了一下,但是自己也沒怎麼看懂,這是上海交通大學一個物理大學教授的回答,大家可以參考一下

    照片中的那樣的(準)二維的泡泡堆積結構,有一個確定的結論,即這些泡泡的平均邊數是6

    這是一個由泡沫堆積結構的幾何性質,加上尤拉公式所給出的結論,證明如下。

    對於任一三維空間中的凸多面體,該多面體有F個面(face),E條邊(edge)以及V個頂點(vertices),那麼有尤拉公式:

    成立。

    比如正四面體,;立方體,等等均滿足此式。

    尤拉公式的證明可參見:https://link.zhihu.com/?target=https%3A//www.ics.uci.edu/%7Eeppstein/junkyard/euler/

    Euler"s Formula 提供了二十種不同的證明

    以及:The Geometry of the Sphere 6給出了一種較為直觀的證明

    對於任意一個二維平面的網路,也可以同樣定義面數F,邊數E,以及頂點數V,此時尤拉公式寫作V-E+F=1

    推導如下:(由下文可知,該式等號右邊具體的數值其實並不影響結論,沒有興趣的讀者可略過以下證明)

    此式可直接由對於凸多面體的尤拉公式匯出。對於一個非常大(但有限)的二維平面網路,我們可以想像把這個網路覆蓋包裹在一個球面上,這樣,這個網路在球面上形成了一個大多面體,同時其邊界在球面上形成了一個新的“面”。對於大多面體,尤拉公式,而二維網路與該大多面體相比,邊數,頂點數都相同,只是少了一個由最外層邊界所形成的面。由此得到二維平面網路的尤拉公式。

    由此出發,我們可以繼續推導二維泡沫結構的平均邊數。

    對於如圖的二維泡沫結構,顯然每一條邊是被2個“面”所共用的,而每一個頂點被3個“面”共用。所以設平均每個面有條邊以及個頂點

    那麼有

    解得: 

    (因為很大,所以可以忽略)

    事實上實驗發現,對於這種二維的泡沫堆積結構,其邊數n的分佈正是一個峰值n=6的分佈,如圖(紅線):

    圖片引自:The physics of foam.ppt Simon Cox, The University of Wales

    到這裡便回答了題主的問題,也修正了題主的觀察,即(準二維的)泡沫大多數5、6、7邊形的。

    ==========

    補充

    一.

    在評論中有知友提到該問題的關鍵在於“為什麼頂點總是被三個泡泡共用”在 @Haoxing的回答中提到了Plateau"s LawPlateau"s laws以及相應的證明,即這種結構是要求表面積最小的必然結果。我試圖在這裡給出一個形象化的、比較物理的理解。

    考慮一個頂點由四個泡泡共用,如下圖的中圖所示:

    圖片引自:The physics of foam.ppt Simon Cox, The University of Wales

    從幾何的角度而言,左圖和右圖的結構雖然較之中圖多了一條邊,但總的表面積(線段長度總和)還是減少了。(可證明)

    從力學角度而言,中圖那樣的結構是二階不穩定的,即微小的擾動便會讓體系偏離該狀態,而左右兩圖的結構是二階穩定的。

    二.事實上對於任意一個二維點陣(如下圖中的方塊點):

    都可以進行所謂voronoi分塊(即上圖透過實線分出的各個區域)Voronoi diagram

    於這樣一個網路圖形,上文提到的結論同樣成立。所以該結論源自幾何約束,只和分塊的方式(即每個點都連線三條邊)以及網路所在的空間(即二維平面)有關,(準二維)泡沫只是其中的一個真實世界中的特例。

    蜂巢是另一個更有名的真例項子,每個“面”都是六邊形的,顯然成立。

    三.本問題另一個回答中提到D.Weaire教授在The physics of foams一書中提到“36%的臨界含水量,大於該含水量則體系成為液態的泡泡流,低於該含水量泡泡成為多面體”(放假賦閒在家,沒法去學校看這本書的原話,只能說說我的猜測)

    對於單一大小的光滑球體的空間隨機堆積問題,有一臨界的堆積狀態,被稱作random close packing,該堆積的密度在實驗上被認為是64%左右。(注意剛好是100%-36%!!)請參見Random close pack小於這個堆積密度,對泡沫而言即含水量高36%,泡泡不互相接觸擠壓;大於該堆積密度(含水量低於36%)時,泡沫互相積壓,其形狀從球形逐漸變為多面體。題主照片中的泡沫的含水量接近於0,所以每個泡泡其實都是被“嚴重”積壓為多面體的球形。

    四.關於泡沫的科學研究從屬於軟物質科學,屬於凝聚態物理中的軟凝聚態物理,其背後的科學問題要比咖啡杯、肥皂泡、蜂巢等等深刻的多。

    簡而言之,泡沫與堆積問題(純數學領域)、最佳化演算法(計算機領域)、結構力學(力學)、化學、玻璃化轉變(凝聚態物理)、阻塞相變(複雜性科學)等科學問題都有直接或間接的聯絡,這裡不展開了。

  • 2 # 樂享樂嘉

    有些問題確實腦洞很大啊!

    為什麼要往飲料裡吹氣看冒出來的泡泡呢?

    從專業飲料商的角度來講,這是很不衛生的動作。

    從飲用者的角度來講,這是很不文雅的動作。

    無聊的時候適合喝飲料,或者自己動手,或者觀賞吧員調配。

    動作嫻熟,暢快。

    出品精緻,悅目。

    低頭輕聞,或香如蘭桂,或芬芳馥郁,

    小口細品,或味如甘霖、或酸甜可口。

    這才是喝飲料的場景啊。

    飲料有飲料的生活哲學,

    喝飲料的時候製造泡泡,講真,寂寞了啊。

    舉個栗子,下面這一款你捨得吹氣?反正我是喝得一滴不剩了。

    月兔兔火龍果

    清新的茉莉毛尖茶底加上滿滿一顆紅心火龍果,茉莉毛尖的清香和火龍果酸甜,喝的時候還有火龍果果肉,根本停不下來!哪有空吹氣啊!

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