当我们提到超音速冲击波时，我们可能会下意识地想到核爆炸，喷气式战斗机，火箭发射等这些瞬间爆发能量的过程，无论怎么看，都远不是开香槟但有趣的是，根据对香槟的研究，香槟开瓶就像迷你火箭发射，两者都会产生超音速冲击波

一阵剧烈的摇晃后，我们盯着香槟酒瓶，期待着瓶塞在下一秒弹出砰的一声，白酒和泡沫喷涌而出，人群中爆发出欢呼声——这是庆祝活动中常见的场景但这不是开香槟的正确方式反而挺危险的，每年都有人受伤

让我们重新开始，而不是摇晃香槟，拆开覆盖软木塞的铁丝网一只手按住瓶塞，另一只手慢慢旋转瓶身瓶塞自然会被瓶内的气压慢慢推出，然后砰的一声弹出，紧接着瓶口泛起一层淡淡的白雾

也许是白雾让人在意在2019年《科学进展》的一篇文章中，一名物理学家变身香槟学者，突然用高速摄像机拍下了香槟开瓶的瞬间他们惊讶地发现，软木塞弹出后，瓶内的高压空气射流可以形成超音速冲击波

超音速冲击波，本质上是物体以超音速运动时，会扰动周围介质，从而在物体前方不断形成压缩空气流这些压缩空气流携带着巨大的能量，将以超音速气浪的形式向四周冲击

马赫环

气流通常是无色的，这意味着我们无法直接看到冲击波那为什么摄像头能捕捉到香槟酒瓶的超音速冲击波呢事实上，我们并没有看到超音速冲击波，而是观察到了只有超音速气流才能形成的现象

当你仔细观察这些香槟开启瞬间的照片，会发现一条白线逐渐远离瓶口，直至消散如果你从瓶子的顶部往下看，你会发现这条线实际上是一个圆——这是马赫环

如果你关注超音速飞机起飞或火箭发射，你可能会注意到它们的尾部总是有一串明亮的环，这也是马赫环火箭和飞机都需要喷射超音速气流来获得强大的推力超音速射流的压力很高，所以当它从喷嘴喷入大气层时，会直接膨胀，但膨胀后的气流压力会低于大气压，所以会再次被压缩这样，超音速气流就会在膨胀和压缩之间来回循环，这个过程会形成膨胀波和压缩波，膨胀波和压缩波在传播的过程中相遇并重叠，从而形成一个圆环，即马赫环

不难看出马赫环现象的必要条件:一是超音速气流，第二，气流压力不等于环境压力前者满足冲击波发生的条件，后者可以改变气流，进而产生不同的波浪

香槟酒瓶的马赫环和火箭尾部的马赫环有着相同的起源，但两者有着显著的区别:超音速气流的温度瓶塞弹出的一瞬间，瓶内气流迅速溢出，导致瓶内气压和温度急剧下降，二氧化碳和水蒸气的混合物会凝结成冰晶，形成灰白色雾气因此香槟酒瓶的马赫环会出现在白雾中但是mega发射中的空气温度过高，会引燃混在其中的少量燃料，使得马赫环特别刺眼

瓶塞弹出的那一刻。

可是，虽然已知香槟酒瓶喷出的喷射空气可以超过音速，产生马赫环，但具体的过程和物理机制尚不清楚今年，在《流体力学》杂志上发表的一篇文章中，科学家通过计算机模拟进一步揭示了香槟瓶塞弹出时冲击波在1毫秒内形成，演化和最终消散的过程

香槟富含二氧化碳，瓶内气压约为大气压的6倍瓶内压缩的二氧化碳气体会不断对软木塞施加向外的推力，将其推出在稳定条件下，软木塞和瓶壁之间的静摩擦力将与向外的推力相平衡可是，一旦你开始扭转软木塞，静摩擦力就会迅速转变为动摩擦力，再也无法与空气压力抗衡这时，软木塞就像一枚火箭，蓄势待发

计算机模拟图像从上到下，每一排对应冲击波演化的第一阶段，第二阶段到第三阶段第一行500微秒时，软木塞刚好弹出，气流只能沿着软木塞和瓶口的缝隙侧向膨胀，第二行917微秒时，软木塞离瓶口有一定距离，气流可以直接喷出，但会与软木塞碰撞形成弧形冲击波，第三线，1167微秒，瓶内外压差下降，无法支持气流以超音速逃逸从左到右，每列显示速度，压力和温度的空间分布结合行和列变量，我们可以看到每个阶段的状态及其对应的不同变量的区间分布

根据计算机模拟，瓶塞弹出后1ms内超音速气流的变化可以描述为三个阶段:

在软木塞弹出的第一阶段，瓶内的二氧化碳气流会以超音速逃逸，这与火箭发射的气流加速过程非常相似火箭尾部的喷管是一个边宽中间窄的漏斗形，也叫拉瓦尔喷管点火后，被加热的高压气流在通过逐渐变窄的喷嘴前半部分时，会被不断压缩加速香槟瓶颈处的狭窄形状也有类似的效果，让气流在瓶颈处加速到超音速

就像人群在狭窄的路口受阻时移动缓慢，而一旦到达一个开阔的空间，就会分散加速，就像气流被狭窄的路径压缩后进入开阔的空间，也会急于扩张加速因此，当高压气流从瓶口逸出，进入相对低压的外界环境时，就会达到超音速，火箭气流在喷管的后半部分可以达到超音速与火箭不同的是，香槟酒瓶的瓶塞会阻碍气流的直接喷射，因为它的运动速度与气流相比太慢了在这一阶段，超音速气流只能沿瓶塞与瓶口之间的缝隙侧向膨胀逃逸，形成冠状激波，同时出现马赫环现象

在软木塞离开瓶口的第二阶段，伴随着瓶内气体不断逸出，最终可以像火箭空气一样直线喷出，然后会与更远的软木塞发生碰撞，从而形成弯曲的冲击波。

第三阶段，酒瓶内的压力逐渐等于大气压，瓶口的压差无法维持，气流失去动力所以喷射气流会继续减速，直到低于音速，冲击波才会完全消散

受到生活的启发

这项有趣的研究将火箭发射与香槟开瓶联系起来，不仅推动了香槟的研究进展，也为火箭发射和导弹发射的弹道学研究等一系列重要应用提供了参考这项研究还可以帮助开发水下航行器和风力涡轮机的工程师更好地了解水动力过程

可是事实上，在我们周围产生超音速冲击波的不仅仅是香槟开瓶你有没有注意到生活中有两个穿透的声音:撕！声，还有啪！公园里鞭打锻炼的时候！嘿！声音

如果用力撕胶带，会发现胶带总是一片一片被撕开，听起来像是撕的声音当你用力把胶带从附着面上撕下来的时候，胶带会像弹簧一样拉伸，储存弹性势能胶粘剂弹簧承受不了更大的拉力断裂后，积累的弹性势能会立即转化为胶带裂边的动能

如果你用高速摄像机拍摄这个过程，你会看到胶带裂开的边缘会以每秒650到900米的速度移动，远超超音速，甚至超过战斗机的速度这意味着每次胶带积聚势能后剥离，都会释放出微小的超音速冲击波所以不难理解迷你音爆的叠加对我们来说肯定会很刺耳

撕透明胶带时，刺耳的撕声总是无法避免。

和响亮的啪！在公园里！嘿！鞭笞声，有些人可能会误以为是在地上鞭笞的声音，但其实都是在空中爆炸的迷你超音速冲击波当一个人用力摇一根鞭子时，他会把动能转移到鞭子上通常，鞭子的把手更粗更重当动能沿着柔软的鞭体传递到轻薄的鞭尖时，为了保证动量守恒，鞭尖速度会远远高于手柄，容易超过音速，从而形成局部的超音速冲击波

这种现象也被称为鞭梢效应和香槟开瓶一样，源于生活，但也包含复杂的物理机制

现在，如果有人问:香槟，胶带和鞭子有什么共同点。

你知道怎么回答吗。

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