Что внутри мыльного пузыря
Что внутри мыльного пузыря
Введение.
«Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него:
вы можете заниматься всю жизнь его изучением,
не переставая извлекать из него уроки физики».
Проблема заключается в том, мы не задумываемся над тем, почему тела обладают определенными свойствами, как объяснить те или иные явления. При изучении природы мыльных пузырей выяснилось, что знаний по данной теме недостаточно, что на изучение свойств жидкостей, и связанных с ними явлений, в школьном курсе отведено недостаточно времени.
Актуальность исследовательской работы заключается в том, чтобы изучая свойства «мыльного пузыря», углубить свои знания по предмету и окунуться в интересный мир физики.
Цели работы: Изучить и объяснить структуру, форму, радужную окраску, время «жизни» мыльного пузыря, основываясь на свойствах сил поверхностного натяжения, их зависимости от состава раствора жидкости, интерференции света в тонких пленках.
Задачи исследования:
1. Изучить научную литературу по теме исследования.
2. Провести исследования по изучению зависимости сил поверхностного натяжения от состава жидкости.
3. Провести опыты с мыльными пузырями и пленками,и проанализировать полученные результаты на основе теории сил поверхностного натяжения, интерференции света.
4. Сделать оборудование для проведения опытов и показа «шоу» мыльных пузырей на открытом родительском собрании «Радуга талантов – 2018».
Объект исследования:водные и мыльные пузыри, сила поверхностного натяжения,интерференция света в тонких пленках.
Предмет исследования: свойства сил поверхностного натяжения воды и мыльных растворов, принцип образования радужной окраски мыльных пузырей.
Методы исследования: изучение теоретических основ темы,наблюдение, сравнение полученных значений с теоретическими утверждениями, лабораторные опыты, моделирование мыльных пленок и пузырей, фотографирование, анализ результатов.
Теоретическая значимость работы заключается в анализе литературы и углубленного изучения вопросов молекулярной физики, свойств жидкостей, волновых свойств света.
Практическая значимость обусловлена тем, что полученные результаты исследования позволят понять природу сил поверхностного натяжения, интерференции света, повысить интерес к изучению физики и применить их для показа «шоу» мыльных пузырей на празднике.
Гипотеза исследования заключается в том, что силы поверхностного натяжения жидкости определяют форму, размеры, время «жизни» мыльного пузыря и зависят от состава жидкости, радужная окраска мыльных пузырей объясняется интерференцией света в тонких пленках.
Ожидаемый результат: использование результатов работы помогут понять природу сил поверхностного натяжения, объяснить окраску мыльных пузырей и создать оптимальный состав мыльного раствора жидкости для выступления на мероприятии.
Анализ литературы по проблеме исследования.
Интересные факты из истории мыльных пузырей можно узнать в статье «Поверхностное натяжение мыльного пузыря».
В статье из сети Интернет «Лиловый, красный, синий, зеленый, желтый цвет» мыльный пузырь рассматривается с точки зрения сил поверхностного натяжения, описывается состав мыльного раствора для создания пузырей.
одноименная статья, где доказывается теорема Линделефа, из которой следует, что мыльный пузырь будет принимать форму сферы.
Статья «Поверхностное натяжение» посвящена свойствам сил поверхностного натяжения, коэффициенту поверхностного натяжения.
А в статье «Способ получения мыльных растворов» говорится о том, как сделать качественный раствор для мыльных пузырей, в том числе и гигантских.
Теоретическое обоснование образования цветных полос на тонких пленках дается в статье «Интерференция в тонких пленках».
В сети Интернет на сайте «Википедия» можно познакомиться с основными понятиями, которые использовались в данной работе: поверхностное натяжение, коэффициент поверхностного натяжения, поверхностная энергия, сила поверхностного натяжения, поверхностно-активные вещества, физика жидкостей, физическая оптика и другие.
Описание понятийного аппарата
Основная часть.
Силы поверхностного натяжения и интерференция света в мыльных пузырях
1. Интересные факты из истории мыльных пузырей
День рождения мыльного пузыря остаётся загадкой, но известно, что при раскопках древней Помпеи археологи обнаружили фрески с изображением юных помпейцев, выдувающих мыльные пузыри. В 19 веке выпускались открытки с изображением мальчика, пускающего пузыри.Мыльные пузыри были не только детской забавой, но и объектом для размышлений философов о смысле жизни.
Интересовали они и серьёзных ученых. Объяснить природу мыльных пузырей пытались многие.Первым, кто описал влияние масла на поверхность воды был Плиниус Старший в Древнем Риме (23-79 н. э. ).Впервые понятие поверхностного натяжения ввел Я. А.Сегнер в 1752 году. В XIX в. на основе представления о поверхностном натяжении П.Лаплас,С.Пуассон, К.Гаусс и др.описали математическую теорию капиллярных явлений, аД. У. Гиббс изучил роль поверхностного натяжения в термодинамической теории поверхностных явлений.В XX веке И.Ленгмюр, П.А.Ребиндер, A.H.Фрумкнн разрабатывали методы регулирования поверхностного натяжения с помощью ПАВ и электрокапиллярных эффектов. Исследования сил поверхностного натяжения с помощью мыльных плёнок помогли изучить законы действия сил сцепления между частицами, при отсутствии которых в мире не существовало бы ничего, кроме тончайшей пыли.
Окраска мыльных пузырей натолкнула физика Томаса Юнга на открытие явления интерференции в тонких пленках и подтверждение волновой природы света.
2.Физические основы мыльного пузыря
А) Механизм возникновения поверхностного натяжения в жидкостях
Жидкость, не заполняет весь объем сосуда, в который она налита, поэтому между жидкостью и газом образуется граница раздела, которая находится в «особых» условиях по сравнению с остальной массой жидкости.
Рассмотрим две молекулы A и B. Молекула A находится внутри жидкости, молекула B – на ее поверхности (рис. 1). Молекула A окружена другими молекулами жидкости равномерно, поэтому силымежмолекулярного взаимодействия, действующие на молекулу A со стороны других молекул, скомпенсированы и их равнодействующая равна нулю.
Молекула B с одной стороны окружена молекулами жидкости, а с другой стороны – молекулами газа, концентрация которых ниже, чем концентрация молекул жидкости. Так как со стороны жидкости на молекулу B действует больше молекул, чем со стороны газа, поэтому равнодействующая всех межмолекулярных сил не равна нулю и будет направлена внутрь объема жидкости. Происходит уменьшение расстояния между молекулами поверхностного слоя и их ближайшими соседями внутри жидкости. При этом между молекулами возникают силы отталкивания.
Таким образом, для того чтобы молекула из глубины жидкости попала в поверхностный слой, нужно совершить работу против не скомпенсированных межмолекулярных сил.
A =σ·ΔS.
А это означает, что молекулы приповерхностного слоя, по сравнению с молекулами внутри жидкости, обладают избыточной потенциальной энергией, которая зависит от площади поверхности. Чем больше площадь поверхности жидкости, тем больше таких молекул, которые обладают избыточной потенциальной энергией, а значит тем больше поверхностная энергия. Этот факт можно записать в виде следующего соотношения:
Eпов. =σ S
Б)Коэффициент поверхностного натяжения
Коэффициент поверхностного натяжения жидкости σ зависит:
1) от природы жидкости (у «летучих жидкостей» таких, как эфир, спирт, бензин, коэффициент поверхностного натяжения меньше, чем у «нелетучих» – воды, ртути);
2) от температуры жидкости (чем выше температура, тем меньше поверхностное натяжение);
3) от свойств газа, который граничит с данной жидкостью;
4) от наличия поверхностно-активных веществ таких, как мыло или стиральный порошок, которые уменьшают поверхностное натяжение.
Коэффициент поверхностного натяженияможно определить и как модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины контура, ограничивающего свободную поверхность жидкости:
Fпов. =σ l
Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку. Разница в том, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности, деформации, а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости.
Действием сил поверхностного натяжения можно объяснить скольжение легких насекомых, например, водомерки, по поверхности водоемов (рис.2). Лапка водомерки деформирует водную поверхность, увеличивая ее площадь, а сила поверхностного натяжения стремится уменьшить подобное изменение площади. Равнодействующая сил поверхностного натяжения будет направлена вверх, компенсируя при этом силу тяжести.
Еще Галилей задумывался над вопросом: почему капли росы, которые он видел по утрам на листьях капусты, принимают шарообразную форму. Обычно сила тяжести мешает жидкости принимать эту форму, и жидкость либо растекается тонким слоем, либо же принимает форму сосуда, в котором находится.
Если на жидкость не действуют другие силы или их действие мало, жидкость будет стремиться принимать форму сферы, как, например, капля воды, мыльный пузырь. Также будет вести себя вода в невесомости.
По теореме, которая была доказана в 1869 году Л. Линделёфом, имеем: «Среди всех выпуклых многогранников трёхмерного евклидова пространства с данными направлениями граней и с данным объемом наименьшую площадь поверхности имеет многогранник, описанный вокруг шара».
Из-за действия сил поверхностного натяжения в каплях жидкости и внутри мыльных пузырей возникает избыточное давление P.
Если мысленно разрезать сферическую каплю радиуса R на две половинки, то каждая из них должна находиться в равновесии под действием сил поверхностного натяжения, приложенных к границе 2πR разреза, и сил избыточного давления, действующих на площадь πR 2 сечения.
Так как пленка мыльного пузыря имеет две поверхности, то избыточное давление внутри него в два раза больше.
Условие равновесия для мыльных пузырей записывается в виде: 2R = РR 2 , где — коэффициент поверхностного натяжения.
Чтобы система находилась в равновесии, она должна иметь минимальное значение ее потенциальной энергии. Поэтому, вследствие поверхностного натяжения жидкость всегда принимает форму с минимальной поверхностью. А по теореме Линделёфа следует, что мыльный пузырь будет принимать форму сферы.
Г) Структура мыльного пузыря
Рассмотрим изменения сил поверхностного натяжения на примере пузырей.
Водные пузыри недолговечны и быстро лопаются из-за больших сил поверхностного натяжения –0,073 Н/м при температуре 20 0 С. Примером водных пузырей являются пузыри, образованные крупными каплями дождя. Пузыри образуются за счет поверхностного натяжения воды. Струи воды захватывают воздух и увлекают его за собой. Пузырьки воздуха оказываются под водой, которая не позволяет им вырваться наружу. Образуется воздушный пузырь, обтянутый тонкой пленкой молекул воды. Пленка воды сильно давит на воздух и сжимает его. Сжатый воздух сопротивляется и прорывает пленку. Пузырь лопается.
Наличие примесей в жидкости приводит к изменению сил поверхностного натяжения. При растворении сахара в воде поверхностное натяжение увеличивается. А вот поверхностное натяжение мыльного раствора меньше, чем воды.
Плёнка мыльного пузыря состоит из трех слоев: тонкого слоя воды, заключенного между двумя слоями молекул мыла. Эти слои состоят из двух частей, защищающих воду от быстрого испарения, а также уменьшающие поверхность натяжения.
Для устойчивого равновесия пленки силы поверхностного натяжения увеличиваются с высотой. Чем выше участок пленки, тем большую массу пленки внизу ему приходится удерживать. Молекулы мыла расположены упорядоченно и перпендикулярно водной поверхности, так что напоминают «частокол». Мыльная пленка имеет два таких «частокола». При раздувании она растягивается, плотность молекул поверхностно-активного вещества на поверхности уменьшается, но тут же стремится восстановиться благодаря «притоку» все новых молекул из объема пленки. Когда мыльная пленка растягивается, концентрация мыльных молекул на поверхности уменьшается, уменьшая при этом поверхностное натяжение раствора мыладо0,040 Н/м при температуре 20 0 С.
Толщина стенки мыльного пузыря в 5000 раз меньше толщины волос. При увеличениив 40 000 раз человеческий волос имеет толщину свыше 2 м, мыльный пузырь будет виден в виде тонкой линии.
Д) Радужная окраска мыльного пузыря
Мыльные пузыри окрашиваются в цвета радуги. Переливчатые «радужные» картинки мыльных пузырей объясняются интерференцией света и зависят от толщины мыльной плёнки.
Когда луч света падает на тонкую плёнку пузыря, часть луча отражается от внешней поверхности пузыря, а часть проникает внутрь плёнки и отражается от внутренней поверхности. Таким образом, образуются два отраженных луча, которые складываются по правилам интерференции: некоторые волны складываются в фазе, а другие в противофазе, и в результате белый свет, сталкивающийся с плёнкой, отражается с оттенком, зависящим от толщины плёнки.
Из-за испарения водыплёнка становится тоньше, поэтому происходит изменение цвета пузыря. Толщина пузыря постоянно меняется из-за гравитации, которая стягивает жидкость в нижнюю часть так, что обычно можно наблюдать полосы различного цвета, которые движутся сверху вниз. Более толстая плёнка пузыря имеет оттенок сине-зелёногоотражённогосвета. Более тонкая плёнка убирает жёлтый, оставляя синий свет, потом – зелёный, оставляя пурпурный, и затем – синий, оставляя золотисто-жёлтый. Когда стенка пузыря становится тоньше, чем длина волны видимого света, все отражающиеся волны видимого света будут складываться в противофазе, и мы перестаем видеть отражение совсем (на тёмном фоне эта часть пузыря выглядит «чёрным пятном»). Толщина стенки мыльного пузыря при этом становится меньше 25 нм, и пузырь лопается.
Эффект интерференции зависит еще и от угла, под которым луч света падает на плёнку пузыря.
4. Результаты исследования и их анализ
А)Подтверждение теоретических знаний результатами опытов
Цель исследования: структуру, форму, радужную окраску, время «жизни» мыльного пузыря, объяснить результаты опытов, основываясь на свойствах сил поверхностного натяжения, их зависимости от состава раствора жидкости, интерференции света в тонких пленках.
Оборудование: петли разной формы, вода, мыльный раствор, плоские и объемные фигуры из проволоки
Что внутри мыльного пузыря
СОДЕРЖАНИЕ
1.1. История мыльного пузыря 4
1.2. Что такое мыльные пузыри 5
1.3.Почему мыльный пузырь имеет форму сферы? 6
1.4. Оптика мыльного пузыря 7
1.5. Толщина мыльного пузыря 9
1.6. Свойства мыльных пузырей на морозе 9
1.7. Как долго существует мыльный пузырь 10
1.8. Где применяют мыльные пузыри 11
Глава II. Экспериментальная часть 13
2.1. Эксперимент №1. 14
2.2. Эксперимент №2 14
2.3. Эксперимент №3 15
2.4. Эксперимент №4 15
Каждый ребёнок в детстве выдувал мыльные пузыри. Они такие красивые. И всегда возникало огромное количество вопросов: что он собой представляет? почему он переливается всеми цветами? и по какой причине они получаются разных размеров? а можно ли выдуть мыльный пузырь на морозе и что с ним будет?
Когда видишь, как выдувают мыльные пузыри, кажется, что здесь никакой сноровки не нужно, пока не попробуешь сам. Умение выдувать большие и красивые пузыри – своего рода искусство, требующее упражнения. Но стоит ли заниматься таким пустым делом, как выдувание мыльных пузырей?
Что же такое мыльные пузыри?
Это тончайшая мыльная пленка, принимающая разные формы. Мы имеем дело с интереснейшим физическим объектом, изучая свойства которого можем не только развлекаться, но и понимать глубже, как устроен мир, в котором живем. «Выдуйте мыльный пузырь, – писал великий английский ученый Кельвин, – и смотрите на него: вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики».
Интерес к проблеме: что представляют мыльные пузыри с физической точки зрения и определил тему исследовательского проекта.
Целью данной работы является выяснение того, как пузырек оказывается главным участником очень важных физических явлений и технологических процессов. В работе решаются следующие задачи: изучение доступной литературы о пузырях; получение мыльных пузырей, а также применение их в жизни.
1.1. История мыльного пузыря
Точного дня рождения мыльного пузыря нет, но заявлять о довольно солидном его возрасте можно с полной уверенностью. При раскопках древнего города Помпеи были обнаружены фрески с изображением детей, выдувающих пузыри. В средних веках изображение ангела, пускающего пузыри, помещали на надгробья и добавляли надпись: «От этого никто не уйдёт» (приложение 1). По-видимому, этим хотели сказать, что жизнь хрупка, как мыльный пузырь.
Мыльные пузыри были не только детской забавой, но и объектом для размышлений философов о смысле жизни. Не просто красивым явлением природы, но и интересовали серьёзных учёных. Чарльз Бойс сто лет назад опубликовал фундаментальный труд «Мыльные пузыри», который по сей день является как детской забавной книжкой, так и настольным пособием для физиков-теоретиков и экспериментаторов.
И так, мыльные пузыри радовали детей и взрослых ещё во времена древней Помпеи. Интересовали философов, художников, учёных на протяжении веков, не оставляя равнодушных и в 21 веке.
1.2. Что такое мыльный пузырь?
Мыльный пузырь — тонкая пленка мыльной воды, которая формирует шар с переливчатой поверхностью.
Пленка пузыря состоит из тонкого слоя воды, заключенного между двумя слоями молекул, чаще всего мыла (приложение 4).
Гидрофильная часть представляет собой разделённые электрические заряды, обладающие дипольным моментом. Она привлекается тонким слоем воды. В то время как гидрофобная – представляющая собой «хвост» из углеродной цепочки длиной 2,5 нм, наоборот, выталкивается. В результате образуются слои, защищающие воду от быстрого испарения, а также уменьшающие поверхностное натяжение.
Однако, пузырь, сделанный только из воды, нестабилен и быстро лопается. Для того чтобы стабилизировать его состояние, в воде растворяют поверхностно-активные вещества, например, мыло и глицерин.
Когда мыльная пленка растягивается, из её объёма на поверхность будут выходить оставшиеся молекулы мыла, достраивая частокол. Таким образом, мыло избирательно усиливает слабые участки пузыря, не давая им растягиваться дальше. Когда же все молекулы поверхностно активного вещества выйдут из объёма плёнки, её дальнейшее растяжение приведёт к разрушению пузыря.
1.3. Почему мыльный пузырь имеет форму сферы? Пузырь существует потому, что поверхность любой жидкости (в данном случае воды) имеет некоторое поверхностное натяжение. Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (то есть от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости.
Коэффициент поверхностного натяжения σ может быть определен как модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность.
Из-за действия сил поверхностного натяжения в каплях жидкости и внутри мыльных пузырей возникает избыточное давление Δp.
Если мысленно разрезать сферическую каплю радиуса R на две половинки, то каждая из них должна находиться в равновесии под действием сил поверхностного натяжения, приложенных к границе 2πR разреза, и сил избыточного давления, действующих на площадь πR 2 сечения.
Так как пленка мыльного пузыря имеет две поверхности, то избыточное давление внутри него в два раза больше,:
Условие равновесия для мыльных пузырей записывается в виде: σ4πR = ΔpπR 2
С поверхностью жидкости связана свободная энергия
где σ — коэффициент поверхностного натяжения, S — полная площадь поверхности жидкости.
Так как свободная энергия изолированной системы стремится к минимуму, то жидкость (в отсутствие внешних полей) стремится принять форму, имеющую минимальную площадь поверхности. Наименьшую площадь поверхности при данном объеме имеет сфера, следовательно, силы натяжения формируют сферу.
Мыльные пузыри являются физической иллюстрацией проблемы минимальной поверхности, сложной математической задачи. Несмотря на то, что с 1884 года известно, что мыльный пузырь имеет минимальную площадь поверхности при заданном объеме, только в 2000 году было доказано, что два объединенных пузыря также имеют минимальную площадь поверхности при заданном объединенном объеме. Эта задача была названа теоремой двойного пузыря.
Сферическая форма может быть существенно искажена потоками воздуха и, тем самым, самим процессом надувания пузыря.
Однако если оставить пузырь плавать в спокойном воздухе, его форма очень скоро станет близкой к сферической. Геометрия мыльных пузырей до сих пор озадачивает математиков.
С точки зрения физики, пузырь сферический лишь в том случае, если сила тяжести не вынуждает перемещаться жидкость в объёме плёнки пузыря, и, следовательно, не приводит к тому, что плёнка внизу оказывается толще, чем вверху, и форма искажается.
1.4. Оптика мыльного пузыря.
Физика XVIII века передала XIX веку по наследству противоречивые представления о природе света. К Ньютону восходили представления о «корпускулярном» свете – потоке гипотетических частиц – корпускул.
К Гримальди, Гуку и Гюйгенсу восходили представления о волновой природе света.
В это время жил один из величайших физиков Томас Юнг, который своими исследованиями обосновал волновые представления о свете и, в частности, о природе явлений интерференции, о цветах тонких плёнок. Французский физик Доменик Араго писал о Томасе Юнге: «Ценнейшее открытие доктора Юнга, которому суждено навеки обессмертить его имя, было ему внушено предметом, казалось бы, весьма ничтожным: теми самыми яркими и лёгкими пузырями мыльной пены, которые, едва вырвавшись из трубочки, становятся игрушкой самых незаметных движений воздуха».
Окраска мыльных пузырей или тонких пленок бензина на поверхности воды объясняется интерференцией волн отраженных от наружной и внутренней поверхности пленки. Ход лучей в тонких пленках изображен на рисунке (приложение 6).Интерференцией световых волн называется сложение двух когерентных волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих световых колебаний в различных точках пространства. Когерентных волны – волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную во времени разность фаз.
Объясним цветовую окраску интерференционных полос. Разность хода лучей, отраженных от разных граней пленки, зависит от ее толщины. При определенной толщине условие максимума выполнится для какой-то длины волны (λ), и пленка в отраженном свете приобретет окраску.
Следовательно, при выполнении
Условия максимума: если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна целому числу длин волн
Δd – разность хода лучей
Условия минимума: если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна нечётному числу полуволн
Мы выяснили, как появляется окраска мыльных пузырей, но почему же одни имеют радужную окраску, а другие – нет?
Сначала плёнка бесцветная, так как имеет приблизительно равную толщину. Затем раствор постепенно стекает вниз. Из-за разной толщины нижней утолщённой и верхней утончённой плёнки появляется радужная окраска.
Чтобы закончить рассказ об оптике мыльного пузыря, обязательно надо сказать о чёрных полосках и пятнах в его окраске. Пузырь лопнет именно в этом, наиболее тонком и слабом месте. Если толщина плёнки очень мала по сравнению с длиной волны, то лучи будут гасить друг друга. А это означает, что возникает чёрная окраска плёнки.
Итак, мыльные пузыри приобретают радужную окрасу благодаря явлению интерференции световых волн отраженных от наружной и внутренней поверхности пленки.
1.5. Толщина плёнки мыльного пузыря.
1.6. Свойства мыльных пузырей на морозе.
Пузырь при медленном охлаждении переохлаждается и замерзает примерно при –7°C. Коэффициент поверхностного натяжения мыльного раствора незначительно увеличивается при охлаждении до 0°C, а при дальнейшем охлаждении ниже 0°C уменьшается и становится равным нулю в момент замерзания. Сферическая пленка не будет сокращаться, несмотря на то, что воздух внутри пузыря сжимается. Теоретически диаметр пузыря должен уменьшаться в процессе охлаждения до 0°C, но на такую малую величину, что практически это изменение определить очень трудно.
1.7. Как долго существует мыльный пузырь.
Как долго живёт мыльный пузырь!? Мы наблюдаем на практике пузыри достаточно короткий промежуток времени. А можно ли увеличить продолжительность его жизни?
Преподавателю физики из штата Индиана удалось сохранить пузырь в стеклянной банке в течение 340 дней. Ученики превзошли учителя – пузыри хранились под колпаком по многу лет, и это, похоже, не рекорд. Для обеспечения длительного хранения необходимо соблюсти условия тонкого равновесия мыльной плёнки с окружающим и внутренним пространством, что оказалось далеко не простым делом. Поддержание формы мыльных пузырей требует основательных физических знаний и солидной экспериментальной подготовки.
1.8. Где применяют мыльные пузыри?
Во-первых, для удаления загрязнений. Ранее рассмотренный механизм строения мыльных пузырей позволяет понять процесс удаления грязи с помощью мыльной воды. Гидрофильная часть моющего вещества взаимодействует с водой, проникает в воду и увлекает с собой частицу загрязняющего вещества, присоединенную к гидрофобному концу.
В метеорологии и аэронавтике прототип мыльного пузыря — аэростат (воздушный шар) — используется для разведки погоды и увлекательных воздушных путешествий. В оболочке мыльного пузыря находится горячий воздух, который (как известно) обладает меньшей плотностью, чем холодный и собственно, поэтому пузырь способен подниматься вверх. По такому же принципу взлетает в небо аэростат.
Мыльная плёнка, натянутая на каркасы, может принимать самый невероятный, казалось бы, вид. Этим свойством широко пользуются архитекторы и конструкторы. Площадь пленок, натянутых на каркас, всегда минимальна, т.к. это соответствует минимуму поверхностной энергии. При проектировке зданий крыши макетов выполняются в виде каркасов. Расчет проверяется с помощью мыльных пленок, которые формируются на этих рамках. Архитекторы и конструкторы знают, что натянувшаяся плёнка подскажет им самую экономичную и устойчивую конструкцию покрытия при минимальном расходе материала.
В горной промышленности с помощью пузырьков, но воздушных, проводят флотацию: процесс обогащения горных руд. Пузырьки в растворе обволакивают частички руды и поднимают её на поверхность, а пустая порода остаётся на дне.
Живые клетки тоже в некоторых процессах сродни мыльным пузырям (палочки и колбочки в сетчатке глаза упакованы по принципу уменьшения площади поверхности; процесс заморозки биологических мембран происходит также, как замораживание мыльного пузыря).
Исследователи из Центра радиоволн и молекулярной оптики (Centre de Physique Moleculaire Optique et Hertzienne,) в Бордо (Франция) обнаружили, что вихри, определенным образом созданные в мыльных пузырях, ведут себя аналогично более масштабным атмосферным явлениям, таким как циклоны и ураганы. Мыльные пузыри дали возможность промоделировать факторы, управляющие траекторией поведения ураганов.
Глава II.
Экспериментальная часть
Те немногие опыты, которые описаны ниже, не преследуют столь серьезных задач. Это просто интересное развлечение, которое лишь познакомит нас с искусством выдувания мыльных пузырей и пронаблюдать за ними. Английский физик Ч. Бойс в книге “Мыльные пузыри” подробно описал длинный ряд разнообразных опытов с ними. Интересующихся мы и отсылаем к этой превосходной книге, здесь же опишем лишь простейшие опыты.Их можно производить с раствором простого хозяйственного мыла [Туалетные сорта для этой цели менее пригодны]. Кусок такого мыла разводят осторожно в чистой холодной воде, пока не получится довольно густой раствор. Всего лучше пользоваться чистой дождевой или снеговой водой, а за неимением их – кипяченой и охлажденной водой. Чтобы пузыри держались долго, Плато советует прибавлять к мыльному раствору 1/3 глицерина (по объему). С поверхности раствора удаляют ложкой пену и пузырьки, а затем погружают в него тонкую глиняную трубочку, конец которой изнутри и извне вымазан предварительно мылом. Достигают хороших результатов и с помощью соломинок, длиной сантиметров в десять, крестообразно расщепленных на конце.Выдувают пузырь так: окунув трубку в раствор, держа трубку отвесно, так, чтобы на конце ее образовалась пленка жидкости, осторожно дуют в нее. Так как пузырь наполняется при этом теплым воздухом наших легких, который легче окружающего комнатного воздуха, то выдутый пузырь тотчас же поднимается вверх.Если удастся сразу выдуть пузырь сантиметров в 10 диаметром, то раствор годен; в противном случае прибавляют в жидкость еще мыла до тех пор, пока можно будет выдувать пузыри указанного размера. Но этого испытания мало. Выдув пузырь, обмакивают палец в мыльный раствор и стараются пузырь проткнуть; если он не лопнет, то можно приступить к опытам; если же пузырь не выдержит – надо прибавить еще немного мыла.Производить опыты нужно медленно, осторожно, спокойно. Освещение должно быть по возможности яркое, иначе пузыри не покажут своих радужных переливов.Вот несколько занимательных опытов с пузырями.
Мы, для проведения экспериментов растворили моющее средство «AOS» в дистиллированной воде, налил. Мыльные пузыри выдувал с помощью небольшой воронки и трубочки для коктейля. Пузыри были устойчивые.
2.1. Эксперимент №1.
Мыльный пузырь вокруг предмета.
2.2.Эксперимент №2.
Несколько пузырей друг в друге.
Выдувается большой мыльный пузырь. Затем совершенно погружают соломинку в мыльный раствор так, чтобы только кончик её, который придётся взять в рот, остался сухим. Просовывают её осторожно через стенку первого пузыря до центра; медленно вытягивая затем соломинку обратно, не доводя её, однако, до края, выдувают второй пузырь, заключенный в первом, в нём – третий и т.д.
2.3. Эксперимент №3.
Воздух вытесняется стенками мыльного пузыря.
Плёнка мыльного пузыря всё время находится в натяжении и давит на заключённый в ней воздух; направив воронку к пламени свечи, можно убедиться, что сила тончайших пленок не так уж ничтожна; пламя заметно уклонится в сторону.
2.4. Эксперимент №4.
Мыльные пузыри на морозе
Вынести баночку с мыльным раствором на сильный мороз и выдуть пузырь. Сразу же в разных точках поверхности возникают мелкие кристаллики, которые быстро разрастаются и наконец, сливаются. Как только пузырь полностью замерзнет, в его верхней части, вблизи конца трубки, образуется вмятина.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Знакомясь с литературой о мыльных пузырях, мы узнали, как образовываются пузыри, почему они переливаются всеми цветами радуги, как ведут себя на морозе, что пузыри являются главными участниками технологических процессов: в химической промышленности (жидкие мыла, стиральные порошки, моющие средства), как противопожарные средства (пенные и воздушно-пенные огнетушители) при чрезвычайных происшествиях. И, конечно, мыльные пузыри всегда останутся в детских развлечениях.
Провели четыре эксперимента. Результаты получились такие:
№1. Эксперимент образованию мыльного пузыря получился достаточно легко. Наша ракушка действительно оказалась накрыта красивым куполом из мыльного раствора (приложение 11).
№2. Несколько пузырей друг в друге. Пробовали получить 2, 3, и 4 пузыря. Наши попытки увенчались успехом. Главное правильно вытащить соломинку из внутреннего пузыря: её вытягивать надо вверх (приложение 12).
№3. Воздух вытесняется стенками мыльного пузыря. Опыт получился. Пламя заметно откланяется по мере того как воздух выходит из пузыря. Иногда даже остатки потока воздуха тушили пламя.
Когда занимались изучением данной темы, мы с удивлением узнали, сколько великих людей с уважением относилось к мыльному пузырю. Нам очень приятно было оказаться среди таких великих ученых, как Т. Юнг, лорд Кельвин, И. Ньютон и многие другие. Мы планируем продолжить изучение свойств мыльного пузыря и далее. В частности выяснить секрет устойчивости мыльного пузыря.
Литература:
Мякишев Г. Я., Буховцев Б.Б. «Физика 11»
Пузыри на морозе. “Наука и жизнь”, №2,1982.