那个炸油条的师傅，可能是流体力学专家

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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。

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。

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。