Почему мы видим переливающуюся радугу на мыльных пузырях?
В следующий раз, когда вы соберётесь надуть мыльные пузыри, не забудьте внимательно посмотреть на них. Эти постоянно меняющиеся радуги, скользящие вокруг всей поверхности пузырьков, могут быть завораживающими… будто атмосфера на планете пузыря. Но почему мы их видим? Это бутерброд из молекул воды и мыла!
Цвета мыльного пузыря приходят из белого света, который содержит все цвета радуги. Когда белый свет отражается от мыльной пленки, некоторые цвета становятся ярче, а другие исчезают.
Плёнка пузыря является своего рода бутербродом: слой молекул мыла, молекулы воды, а затем ещё один слой молекул мыла. Когда световые волны, отражённые от одного слоя молекул мыла, встречаются со световыми волнами, отражёнными от второго слоя молекул мыла, два набора волн интерферируют. Некоторые волны складываются, что делает цвета ярче. Другие волны гасят друг друга, удаляя цвет. И в результате белый свет, сталкивающийся с плёнкой, отражается с оттенком, зависящим от толщины плёнки. Цвета, которые вы видите — это то, что осталось после того, как световые волны смешались. Они называются цвета интерференции.
Все ответы о мыльных пузырях
Отвечая на вопрос, что такое мыльные пузыри, можно отметить их необычайную привлекательность и декоративность. По сути это пленка мыльной жидкости, которая при наполнении ее воздухом обретает сферическую форму с переливчатой поверхностью.
Попытаться понять, почему мыльные пузыри круглые и имеют фантастическую радужную окраску, могут не только пытливые и склонные к экспериментированию дети, но и любознательные взрослые, наблюдающие за процессом выдувания их из мыльного раствора.
Причины, влияющие на форму пузырей
Доминирующей причиной, обусловливающей тот фактор, что мыльный шар в конечном итоге обретает шарообразную форму, является возникновение сил поверхностного натяжения между микроскопическими частицами воды.
Они стремятся принять наиболее компактную существующую в природе сферическую форму, при которой внутреннее давление воздуха становится равнонаправленным на все точки внутренней плоскости. Даже, если первоначально пузырь в процессе выдувания напоминает овал, после отрыва он становится круглым.
Известно, что физик Бойз (Англия), проводивший разнообразные эксперименты с мыльными пузырями, находил интересные новые формы. Например, при растягивании мыльной пленки, заключенной между кольцами определенного диаметра получается цилиндр. В ходе эксперимента при дальнейшем увеличении габаритов возникает центральная перемычка, по которой цилиндр распадается на два шара.
Оттенки мыльных пузырей
Интерес вызывает и поиск ответа на вопрос, почему мыльные пузыри имеют радужную окраску, привлекающую внимание и придающую им такое очарование. При этом нет двух одинаковых расцветок, поэтому любоваться россыпью разноцветных радужных отблесков можно очень долго.
Благодаря трехслойности оболочки, подобное явление возникает за счет такого физического явления как интерференция. Особенность стенок состоит в том, что сверху и снизу находится мыльная субстанция, а между этими слоями располагается вода.
Одна часть световых лучей отражается от внешней плоскости, а другая при прохождении через подобную линзоподобную пленку преломляется, а затем отражается под определенным узлом от внутренней поверхности. За счет интерференции этих отражений наблюдаются на стенках пузырей радужные разводы.
Анализируя интересные факты о мыльных пузырях, можно заметить, что цвет их зависит от толщины пленки. При ее достаточно большой толщине исчезает из спектра красный компонент, обусловливая доминирование сине-зеленых оттенков. При дальнейшем уменьшении толщины убирается желтый тон при преобладании синего цвета. Следующим этапом истончения оболочки становится пурпурная, а затем золотисто-желтая окраска. Перед тем как лопнуть, пузырь темнеет, практически теряя свою радужность.
Габариты и продолжительность сохранения цельности пузырей
Основным разочарованием, получаемым от мыльных пузырей, выдуваемых из обычного раствора, является быстротечность их существования. Также не удается создавать большие красочные разновидности.
Однако любитель экспериментировать Дж. Дьюар (Англия) доказал, проводя опыты, что в герметичной емкости мыльные пузыри способны оставаться в неизменном виде достаточно много. Известен срок в 340 дней, хотя встречаются утверждения о сохранении в течение нескольких лет.
Безопасны ли мыльные пузыри
Основными любителями запуска фейерверков из мыльных шариков являются дети. Судя по многочисленным отзывам, любознательный ребенок нередко пьет используемый раствор. Поэтому безопасность этого мероприятия должна быть в центре внимания взрослых.
Чаще всего возникает проблема, что делать, если ребенок выпил мыльные пузыри, и у него началась рвота или понос. Такая реакция бывает не у всех детей, поскольку зависит от особенностей организма. Некоторые родители отмечают факт появления аллергического кашля у детей после нахождения в комнате, где запускалось большое количество пузырей.
Необходимо опасаться не только, чтобы малыш не съел летающий радужный шар. Вызывает обильные слезы из-за жжения при попадании его в глаза. При чувствительной коже ребенок, вылив на себя раствор для пузырей, может даже получить ожог.
Обычно такие ситуации возникают при пользовании с готовыми составами, приобретаемыми непосредственно для выдувания пузырей. В любом случае не нужно терять времени и обратиться к врачу или вызвать «Скорую». Особенно важно не заниматься самолечением, если начинается аллергическая реакция.
В качестве неотложных мер целесообразно давать обильное питье, призванное максимально очистить желудок. При попадании в глаза или на кожу следует немедленное промывание водой.
Увеличение прочности пузырей
Любому ребенку и даже взрослому будет интересно узнать, как удержать мыльный пузырь в руках, чтобы рассмотреть его великолепие более детально.
Оказывается, можно нанести на ладошку немного любого мыльного раствора, включая и тот, что используется для надувания, и размазать их тонким слоем. Теперь можно ловить хрупкие сферы без опаски.
Значительно увеличивается плотность мыльной оболочки, если заниматься выдуванием на улице в морозный день. Застывшее чудо осторожно опускают на руку в варежках и любуются им.
Увлекательным зрелищем становятся разнообразные шоу, где демонстрируются приемы создания больших мыльных шаров. Многие стремятся создать самый большой мыльный пузырь, чтобы побить предыдущие рекорды и зафиксироваться в книге Гиннеса.
Сейчас известно имя создателя самого гигантского пузыря, в котором уместились 214 человек. Это Матей Кодеш из Чехии, официально подтвердивший свой рекорд. Хотя уже есть информация об увеличении этого количества до 374 человек другими людьми, ожидающими решения о публикации.
В домашних условиях, чтобы увеличить плотность и выдувать большие оригинальные гелевые пузыри, используют следующий рецепт. Берут шампунь или бытовое средство, ориентированное для мытья посуды, очищенную воду, глицерин в соотношении 2:6:1. Через сутки пузыри можно надувать.
Почему окраска пузыря все время меняется?
Это физическое явление — преломление. Солнечный свет, попадая на поверхность пузыря под разными углами, как сквозь призму разделяется на основные цвета (синий,зеленый и красный, если не ошибаюсь) и отражаясь от внутренних стенок полусферы-пузыря, придает им разные оттенки и цвета, поэтому человеческий глаз так и воспринимает это, кажется, что пузырь переливается, на самом деле, всё зависит от угла обзора, то есть, с какой стороны и под каким ракурсом мы на него смотрим.
Окраска воздушного пузыря постоянно меняется, представляя нам все цвета радуги. Это происходит благодаря преломлению, шарик переливается как призма. точно такое же явление мы наблюдаем, когда по воде растекается бензин.
Интересно о каком пузыре идёт речь в вопросе?! О воздушном? О мочевом ? О мыльном ? Я конечно подозреваю, что именно о мыльном, но почему бы не указать это в вопросе?!
Стенки мыльного пузыря состоят из воды и мыла. Мыло в данном случае используется для увеличения поверхностного натяжения водяной плёнки. Но так как это всё же вода, то вот она и переливается на свету всеми цветами радуги. Научными словами, — мы видим спектральный анализ воды.
Просто мыльный пузырь это сфера, которая крутится от того что на неё дует поток воздуха и он крутится вокруг своей оси и отражает все цвета которые попадаются ему на встречи и мы видим все эти цвета радуги.
Пузырь наполнен воздухом и водой в виде шара, а на солнце он начинает переливаться различными цветами в зависимости от точки преломления света. Это похоже на радугу, так как отражает весь спектр цветов. И к тому же это явление приводит в восторг как детей, так и взрослых.
Самое интересное, что если посмотреть на мыльный пузырь в черно-белом свете, мы будем наблюдать только чередование максимумов и минимумов освещенности, то есть черных и белых пятен, что дает нам предположить что речь идет не просто о преломлении света в мыльной пленке, а о сложении волн разной длины, которое и приводит к хаотичному появлению максимумов. То есть складываются преломленная волна и отраженная волна, причем из-за того, что толщина пленки постоянно меняется, меняется и разница хода длин волн, а потому пятна на мыльном пузыре не остаются статичными и постоянно меняются. В цветном изображении волн семь и картина их наложения получается очень красивой.
Цвет, который правильно называть окрасом, может изменяться у собаки-овчарки после каждой линьки. Если щенок при рождении был «голубым», или стального цвета, то с возрастом прибывает жёлтый и светло-коричневый оттенок.
Я дочери всегда говорила и говорю : на всякое хотение имеется терпение! Она тоже в Вашем возрасте,как и Вы ОЧЕНЬ хотела покрасить волосы.Аргумент был неоспоримый : всем можно,а мне почему нельзя? все одноклассницы покрасили и я хочу! На что я отвечала : ну,во-первых не все одноклассницы,а некоторые.И ведь не стоит идти на поводу у сиюминутных прихотей,а стоит подожать совсем немного и посмотреть на волосы этих одноклассниц лет через 5.Хорошие краски стоят дорого и несмотря на это — это химия! Подумайте хорошо,впереди вся жизнь.Сейчас Вы молоды,волосы живые и здоровые,нет седины,зачем Вам молоденькой девушке сейчас делать то,что потом делать будет просто необходимо!? Со временем волосы утрачивают свой цвет и красоту,но до этого жить и жить! Вам ещё успеет надоесть искать лучшую краску для волос и бегать по салонам для окрашивания.А сейчас получайте удовольствие от молодости,15 лет — это весна женщины! Ещё всё будет,всё успеется. всему своё время! Как любила говорить моя бабушка : не торопите пятницу! Мы всегда чего-то ждём,выходных,праздников,лето и т.д. а жизнь идёт,она нас не ждёт! Живите счастливо каждую секунду! Получайте удовольствие от своей молодости ,ведь Вы бесспорно самая ,самая,самая! Молодая,красивая,не такая,как все! Будьте в этом уверены!
Смотря какого цвета был оттенок до этого и какого оттенка рыжий Вы хотите. Если волосы светлые, то часа Вам за глаза хватит, чтобы получить насыщенный рыжий цвет, если при этом хотите оттенок светлее, то и держите меньше. Если сейчас волосы тёмные, то примерно также.
Для начала попробуйте подержать минут 30-40 и посмотрите на результат.
В красках два основных компонента: аммиак и перекись водорода. Аммиак обеспечивает стойкое окрашивание волоса за счет «приподнимания» чешуек волоса. А перекись их пересушивает. Состав краски в кровь проникнуть не сможет. У нас не такие большие поры на голове, да и концентрация веществ не такая большая, чтобы могла как-то проникнуть сквозь кожу, наш естественный барьер для всех вредных веществ. И еще осмелюсь посоветовать: при выборе краски обязательно обратите внимание на состав. Лучше выбрать краску без аммиака (они менее стойкие, но здоровье волос дороже) и с низким уровнем перекиси водорода (6-9%). И обязательно обращайте внимание на наличие ухаживающих компонентов: провитамин В5 или растительные экстракты.
Натуральных красителей для ткани много.
Красить можно и луковой шелухой и черникой и барбарисом и корицей и куркумом и многими другими растениями. И даже крепким кофе или чаем. И той же хной, которой волосы красят.
Почему окраска мыльного пузыря все время меняется
СОДЕРЖАНИЕ
Глава I. Мыльные пузыри — с научной точки зрения 3
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.
Глава I. Мыльные пузыри — с научной точки зрения
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.
Еще на картинах фламандских художников XVII века часто встречались изображения детей, выдувающих мыльные пузыри через глиняную соломинку(приложение 2). В XVIII и XIX веках дети выдували мыльные пузыри, используя мыльную воду, оставшуюся после стирки. Выдувание мыльных пузырей приобрело большую популярность, когда в 1886 году Pears Soap Company начала рекламу своего "воздушного" продукта, воспользовавшись знаменитой картиной Д. Миллеса "Пузыри" (приложение 3). Компания "Chemtoy", которая ранее занималась продажей чистящих средств, в 40-х годах XX века вдруг начала выпуск жидкости, предназначенной для выдувания мыльных пузырей. Но настоящий бум на мыльные пузыри приключился в 60-х того же века. Для хиппи — "детей цветов" — мыльные пузыри стали символом мира и гармонии.
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).
Эти слои состоят из достаточно сложных молекул — русалок — одна часть которых является гидрофильной (любит контактировать с водой), а другая гидрофобной (избегают подобного контакта, «боятся» воды) (приложение 5).
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.
Прямыми измерениями было установлено, что поверхностное натяжение воды понижается в два с половиной раза: от 7*10 -2 до 3*10 -2 Дж/м 2 .
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».
Удивительно — пленка из бесцветной жидкости, раствора мыла в воде, освещенная белым светом, расцвечивается всеми цветами радуги. Посмотрим, почему это происходит.
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 = kλ , k =0,1,2,3,… — волны усилят друг друга,
Δd – разность хода лучей
Условия минимума: если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна нечётному числу полуволн
Δd =(2k+1) λ/2 , k =0,1,2,3,… -волны погасят друг друга (приложение 7)
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.
Немногие знают, что плёнка мыльного пузыря представляет собой одну из самых тонких вещей, какие доступны невооружённому зрению. «Тонкий, как волос», «тонкий, как папиросная бумага» — означают огромную толщину рядом с толщиной стенки мыльного пузыря, которая в 5000 раз тоньше волоса и папиросной бумаги. Рисунок даёт наглядное представление об этих соотношениях. Разрез стенки мыльного пузыря будет усматриваться в виде тонкой линии при увеличении в 40 000 раз, волос же будет иметь толщину свыше 2 м (приложение 8).
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.
Пленка оказывается не хрупкой, какой, казалось бы, должна быть тонкая корочка льда. Если дать возможность мыльному пузырю закристаллизовавшемуся упасть на пол, он не разобьется, не превратится в звенящие осколки, как стеклянный шарик. На нем появятся вмятины, отдельные обломки закрутятся в трубочки. Пленка оказывается не хрупкой, она обнаруживает пластичность. Пластичность пленки оказывается следствием малости ее толщины.
При выдувании пузырей на сильном морозе –20°C ,–25°C сразу же в разных точках поверхности возникают мелкие кристаллики, которые быстро разрастаются и, наконец, сливаются в единую картину, по красоте, не уступающей морозным рисункам на окне.
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?
Джеймс Дьюар (приложение 9) законсервировал мыльный пузырь в герметичном сосуде с двойными стенками на срок более месяца. Забава оказалась полезной: позднее дьюар-сосуд, названный в честь изобретателя, — нашёл применение для хранения и перевозки жидкого азота.
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.
Мыльные пузыри — идеальная модель для изучения турбулентности в газовых оболочках планет, так как по своим физическим параметрам отношение толщины мыльной пленки к диаметру пузыря эквивалентно отношению толщины атмосферы к диаметру планеты. Постановка эксперимента французских ученых очень простая. Половина мыльного пузыря, находящегося при комнатной температуре 17°C, с радиусом в разных вариациях эксперимента от 8 до 10 см, нагревалась с помощью специального колечка, охватывающего экватор пузыря. Тепло конвективным образом распространялось от экватора к полюсам, создавая градиент (разность) температур ΔT. Облучая изучаемый объект белым светом, исследователи наблюдали интерференционную картину, из которой видно, что при наибольшей разности температур между экватором и полюсом происходило зарождение вихря, подобного атмосферному циклону — это видно на рисунке (приложение 10).
Также мыльные пузыри используются в нефтеперерабатывающей промышленности. Чтобы превратить нефть в различные материалы, необходимые человечеству, ее приходится перерабатывать. Для эффективной переработки нефти российские ученые предлагают использовать мицеллы — по сути, мыльные пузыри. Эти и другие исследования ПАВ поддерживаются российскими и международными грантами. Ученые московского Института химической физики РАН одни из первых выяснили, что если в уже очищенную нефть добавить воды и поверхностно-активные вещества, то в нефти образуются стабильные "мыльные пузыри", наполненные водой. Оказалось, что в этих пузырьках, которые ученые назвали "мицеллами", могут происходить различные химические реакции. Ученые сконструировали такие "микрореакторы" для окислительной переработки углеводородного сырья. Так называемое жидкофазное окисление углеводородов позволяет превратить нефть в органические кислоты, эфиры, мономеры. Именно из этих веществ потом получают полимеры, красители, лекарства и многое другое.
И, наконец, даже когда пузырь лопается, это тоже идёт на пользу науке. Изучая лопающиеся пузырьки, ученые, пришли к пониманию процессов кавитации — образовании в капельной жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (так называемых кавитационных пузырьков, или каверн). Когда такое происходит в воде, давление меняется очень резко, отчего может разрушиться даже металл, скажем, гребной винт корабля или трубопровод.
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.
Стол или поднос обильно смазывают мыльным раствором, в середину кладут предмет и накрывают воронкой. Затем, медленно поднимая воронку, дуют в её узкую трубочку, — образуется мыльный пузырь; когда же этот пузырь достигнет достаточных размеров, наклоняют воронку в сторону, высвобождая из-под неё пузырь.
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.
№4. Пузыри на морозе. На улице около -17 0 С. Погода стояла солнечная, поэтому было хорошо видно кристаллизацию мыльных пузырей. Замерзают они не сразу, а примерно несколько секунд. Случалось, что мыльные пузыри лопались. При этом образуется эластичная тончайшая пленка, похожая на полиэтиленовый мешочек. Пузыри получались радиусом около 5см, так как на улице очень низкая температура. Нагретые дыханием пузыр через короткое время замерзают и становятся белыми. Красивое зрелище. Его лучше наблюдать непосредственно. Качественно снять замерзание мыльных пузырей на фото или видео трудно. Нужна хорошая фотоаппаратура. Во многих случаях замерзший пузырь съеживается и самопроизвольно разрывается, не долетая до земли (приложение 14)
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.