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给饮料里吹气玩,为什么出来的泡泡都是五 / 六边形?

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知乎用户,学士后,科研民工

题主对生活中的小现象作出了非常有趣的观察,也得到了比较正确的结论。

事实上,对于类似于题主照片中的那样的(准)二维的泡泡堆积结构,有一个确定的结论,即这些泡泡的平均边数是 6

这是一个由泡沫堆积结构的几何性质,加上欧拉公式所给出的结论,证明如下。

对于任一三维空间中的凸多面体,该多面体有 F 个面(face),E 条边(edge)以及 V 个顶点(vertices),那么有欧拉公式:
成立。

比如正四面体,;立方体, 等等均满足此式。

欧拉公式的证明可参见:

Euler's Formula 提供了二十种不同的证明
以及:The Geometry of the Sphere 6给出了一种较为直观的证明

对于任意一个二维平面的网络,也可以同样定义面数 F,边数 E,以及顶点数 V,此时欧拉公式写作

推导如下:(由下文可知,该式等号右边具体的数值其实并不影响结论,没有兴趣的读者可略过以下证明)

此式可直接由对于凸多面体的欧拉公式导出。对于一个非常大(但有限)的二维平面网络,我们可以想像把这个网络覆盖包裹在一个球面上,这样,这个网络在球面上形成了一个大多面体,同时其边界在球面上形成了一个新的“面”。对于大多面体,欧拉公式

,而二维网络与该大多面体相比,边数 ,顶点数  都相同,只是少了一个由最外层边界所形成的面。由此得到二维平面网络的欧拉公式。q.e.d

由此出发,我们可以继续推导二维泡沫结构的平均边数。

对于如图的二维泡沫结构,显然每一条边是被 2 个“面”所共用的,而每一个顶点被 3 个“面”共用。所以设平均每个面有  条边以及  个顶点

那么有: 将此式代入(二维平面上的)欧拉公式,则有:

解得:

(因为  很大,所以  可以忽略)

事实上实验发现,对于这种二维的泡沫堆积结构,其边数 n 的分布正是一个峰值 n=6 的分布,如图(红线):

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

到这里便回答了题主的问题,也修正了题主的观察,即(准二维的)泡沫大多数 5、6、7 边形的。

补充:

一.

在评论中有知友提到该问题的关键在于“为什么顶点总是被三个泡泡共用”。

在 @Haoxing 的回答中提到了 Plateau's Law

Plateau's laws

以及相应的证明,即这种结构是要求表面积最小的必然结果。

我试图在这里给出一个形象化的、比较物理的理解。

考虑一个顶点由四个泡泡共用,如下图的中图所示:

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

从几何的角度而言,左图和右图的结构虽然较之中图多了一条边,但总的表面积(线段长度总和)还是减少了。(可证明)

从力学角度而言,中图那样的结构是二阶不稳定的,即微小的扰动便会让体系偏离该状态,而左右两图的结构是二阶稳定的。

二.

事实上对于任意一个二维点阵(如下图中的方块点):

都可以进行所谓 voronoi 分块(即上图通过实线分出的各个区域)

Voronoi diagram

对于这样一个网络图形,上文提到的结论

同样成立。所以该结论源自几何约束,只和分块的方式(即每个点都连接三条边)以及网络所在的空间(即二维平面)有关,(准二维)泡沫只是其中的一个真实世界中的特例。

蜂巢是另一个更有名的真实例子,每个“面”都是六边形的,

显然成立。

三.

本问题另一个回答中提到 D.Weaire 教授在 The physics of foams 一书中提到“36% 的临界含水量,大于该含水量则体系成为液态的泡泡流,低于该含水量泡泡成为多面体”

(放假赋闲在家,没法去学校看这本书的原话,只能说说我的猜测)

对于单一大小的光滑球体的空间随机堆积问题,有一临界的堆积状态,被称作 random close packing,该堆积的密度在实验上被认为是 64%左右。(注意刚好是 100%-36%!!

请参见

Random close pack

小于这个堆积密度,对泡沫而言即含水量高于 36%,泡泡不互相接触挤压;大于该堆积密度(含水量低于 36%)时,泡沫互相积压,其形状从球形逐渐变为多面体。题主照片中的泡沫的含水量接近于 0,所以每个泡泡其实都是被“严重”积压为多面体的球形。

强调一点,以上说法只适用于三维空间中单一大小的球体的堆积问题,不应照搬到本回答主要讨论的二维问题中。

四.

关于泡沫的科学研究从属于软物质科学,属于凝聚态物理中的软凝聚态物理,其背后的科学问题要比咖啡杯、肥皂泡、蜂巢等等深刻的多。

简而言之,泡沫与堆积问题(纯数学领域)、优化算法(计算机领域)、结构力学(力学)、化学、玻璃化转变(凝聚态物理)、阻塞相变(复杂性科学)等科学问题都有直接或间接的联系,这里不展开了。


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