|
Мыльный пузырь
 Ребёнок с мыльными пузырями
Мыльный пузырь
— тонкая пленка мыльной воды, которая формирует шар с переливчатой поверхностью. Мыльные пузыри обычно существуют лишь несколько секунд и лопаются при прикосновении или самопроизвольно. Их часто используют в своих играх дети, но использование пузырей в развлекательных шоу показывает, что и взрослым они тоже нравятся. Из-за недолговечности мыльный пузырь стал синонимом чего-то привлекательного, но бессодержательного и недолговечного. Иногда акции на «новом рынке» сравнивают с мыльными пузырями.
 Ж.-Б.-С. Шарден. Мыльные пузыри. Ок. 1739 г.
Содержание
1 Структура
2 Физические основы
2.1 Поверхностное натяжение и форма
2.2 Замерзание пузырей
2.3 Объединение пузырей
2.4 Интерференция и отражения
3 Математические свойства
4 Как делать мыльные пузыри
4.1 Компоненты
4.2 Процедура
5 Литература
6 Ссылки
Структура
Пленка пузыря состоит из тонкого слоя воды, заключенного между двумя слоями молекул, чаще всего мыла. Эти слои содержат в себе молекулы, одна часть которых является гидрофильной, а другая гидрофобной. Гидрофильная часть привлекается тонким слоем воды, в то время как гидрофобная, наоборот, выталкивается. В результате образуются слои, защищающие воду от быстрого испарения, а также уменьшающие поверхностное натяжение.
 Пленка мыльного пузыря
Физические основы
Поверхностное натяжение и форма
Пузырь существует потому, что поверхность любой жидкости (в данном случае воды) имеет некоторое поверхностное натяжение, которое делает поведение поверхности похожим на поведение чего-нибудь эластичного. Однако, пузырь, сделанный только из воды, нестабилен и быстро лопается. Для того, чтобы стабилизировать его состояние, в воде растворяют какие-нибудь поверхностно-активные вещества, например, мыло. Распространенное заблуждение состоит в том, что мыло увеличивает поверхностное натяжение воды. На самом деле, оно делает как раз обратное, уменьшает поверхностное натяжение примерно до трети от поверхностного натяжения чистой воды. Когда мыльная пленка растягивается, концентрация мыльных молекул на поверхности уменьшается, увеличивая при этом поверхностное натяжение. Таким образом, мыло избирательно усиливает слабые участки пузыря, не давая им растягиваться дальше. В дополнение к этому, мыло предохраняет воду от испарения, тем самым, делая время жизни пузыря еще больше.
Сферическая форма пузыря также получается за счет поверхностного натяжения. Силы натяжения формируют сферу потому, что сфера имеет наименьшую площадь поверхности при данном объеме. Эта 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.
Замерзание пузырей
Если надуть пузырь при температуре -15 °C, то он замерзнет при соприкосновении с поверхностью. Воздух, находящийся внутри пузыря, будет постепенно просачиваться наружу и в конце концов пузырь разрушится под действием собственного веса.
При температуре -25 °C пузыри замерзают в воздухе и могут разбиться при ударе о землю. Если при такой температуре надуть пузырь теплым воздухом, то он замерзнет почти в идеальной сферической форме, но по мере того, как воздух будет охлаждаться и уменьшаться в объеме, пузырь может частично разрушиться, и его форма будет искажена. Пузыри, надутые при такой температуре всегда будут небольшими, так как они будут быстро замерзать и если продолжать их надувать, то они лопнут.
Объединение пузырей
Когда два пузыря соединяются, они принимают форму с наименьшей возможной площадью поверхности. Их общая стенка будет выпячиваться внутрь большего пузыря, так как меньший пузырь имеет большее внутреннее давление. Если пузыри одинакового размера, их общая стенка будет плоской.
Если пузырей больше чем три, они будут располагаться таким образом, что только три из них будут соприкасаться возле одной стенки. Так как поверхностное натяжение в точке соприкосновения пузырей одинаковое для каждой поверхности, угол между образующимися стенками составляет 120°. Поскольку пузыри всегда стремятся принять форму с наименьшей поверхностью, этот угол является самым эффективным. Поэтому пчелы, которые стремятся уменьшить расход воска, соединяют соты в ульях под этим же углом, формируя, тем самым, правильные шестиугольники.
Интерференция и отражения
Переливчатые цвета мыльных пузырей получаются за счёт интерференции световых волн и определяются толщиной мыльной плёнки.
Когда свет сталкивается с плёнкой пузыря, часть его отражается от внешней поверхности, в то время как другая часть проникает внутрь плёнки и отражается от внутренней поверхности. Наблюдаемое отражение определяется интерференцией этих двух отражений. Поскольку каждый проход света через плёнку создает сдвиг по фазе пропорциональный толщине плёнки и обратно пропорциональный длине волны, результат интерференции зависит от двух величин. Отражаясь, некоторые волны складываются в фазе, а другие в противофазе, и в результате белый свет, сталкивающийся с плёнкой, отражается с оттенком, зависящим от толщины плёнки.
По мере того, как плёнка становится тоньше из-за испарения воды, можно наблюдать изменение цвета пузыря. Более толстая плёнка убирает из белого света красный компонент, делая тем самым оттенок отражённого света сине-зелёным. Более тонкая плёнка убирает жёлтый (оставляя синий свет), затем зелёный (оставляя пурпурный), и затем синий (оставляя золотисто-жёлтый). В конце концов стенка пузыря становится тоньше, чем длина волны видимого света, все отражающиеся волны видимого света складываются в противофазе и мы перестаем видеть отражение совсем. Когда это происходит, толщина стенки мыльного пузыря меньше 25 нанометров, и пузырь, скорее всего, скоро лопнет.
Эффект интерференции также зависит от угла, с которым луч света сталкивается с плёнкой пузыря. Таким образом, даже если бы толщина стенки была везде одинаковой, мы бы всё равно наблюдали различные цвета из-за движения пузыря. Но толщина пузыря постоянно меняется из-за гравитации, которая стягивает жидкость в нижнюю часть так, что обычно мы можем наблюдать полосы различного цвета, которые движутся сверху вниз.
Отражение облаков в мыльном пузыре
| В этой диаграмме луч света сталкивается с поверхностью в точке X. Часть света отражается, а часть проходит через внешнюю поверхность и отражается от внутренней.
|
На этой диаграмме изображены два луча красного света (лучи 1 и 2). Оба луча разбиваются на два, но нас интересуют только те части, которые изображены сплошными линиями. Рассмотрим луч, выходящий из точки Y. Он состоит из двух лучей, наложившихся один на другой: части луча 1, которая прошла через стенку пузыря и части луча 2, которая отразилась от внешней поверхности. Луч, прошедший через точки XOY путешествовал дольше луча 2. Допустим, случилось так, что длина XOY пропорциональна длине волны красного света, поэтому два луча складываются в фазе.
|
Эта диаграмма похожа на предыдущую, за исключением того, что длина волны света другая. В этот раз расстояние XOY непропорционально длине волны, и лучи складываются в противофазе. В результате, синий цвет не отражается от пузыря с такой толщиной стенки.
|
Это компьютерное изображение показывает цвета, отражённые тонкой плёнкой воды, освещённой неполяризованным белым светом.
|
Математические свойства
 Мыльные пузыри образуют пену
Мыльные пузыри также являются физической иллюстрацией проблемы минимальной поверхности, сложной математической задачи. Например, 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.
Пленка мыльного пузыря всегда стремится минимизировать свою площадь поверхности. Таким образом, оптимальная форма отдельного пузыря — сфера. Большая группа пузырей, объединенных в пену, имеет гораздо более сложную форму.
Как делать мыльные пузыри
Самый простой способ — использовать специальную жидкость для мыльных пузырей (которая продается в качестве игрушки) или просто смешать средство для мытья посуды с водой. Но, последний способ может не дать таких хороших результатов, каких хотелось бы получить, поэтому вот несколько приемов, помогающих улучшить результат:
Компоненты
• Что-нибудь уменьшающее поверхностное натяжение воды, например, жидкое мыло или детский шампунь. Чем более чистое мыло (без примесей парфюма или других добавок), тем более лучший результат может получиться.
• Что-нибудь уплотняющее воду. Наиболее часто используется глицерин (который можно купить в аптеке). Также можно использовать сахар, который лучше растворять в теплой воде. Однако, плотность воды может стать слишком большой, поэтому важно соблюдать умеренность.
• Дистиллированная вода. Вода из под крана содержит ионы кальция, которые связывают мыло. Дистиллированная вода работает лучше.
Процедура
• Если оставить смесь открытой на несколько часов, то ее плотность тоже станет выше. Но, снова, если она станет слишком высокой, выдувать пузыри будет сложно.
• Лучше избегать пузырьков или пены на поверхности смеси, аккуратно их убирая или просто дождавшись, пока они исчезнут.
То, насколько просто будет делать пузыри зависит от множества разных факторов. Разное мыло, разные условия окружающей среды, например, лучше избегать пыльного воздуха или ветра. Также, чем больше влажность воздуха, тем лучше, а значит лучше делать пузыри в дождливый день. Другими словами, наилучший способ найти идеальное решение — это метод проб и ошибок.
|