Как надувают мыльные пузыри

Марк Твен когда-то назвал мыльный пузырь самым изысканным чудом природы. И действительно, посмотрите, как он красив! Переливается всеми цветами радуги. А поскольку красота это понятие вечное и всегда актуальное, мы решили еще раз обратиться к теме мыльных пузырей, хотя о них было написано и сказано очень много.

Мыльный пузырь — тонкая плёнка мыльной воды, которая формирует сферу с переливчатой поверхностью. Мыльные пузыри обычно существуют лишь несколько секунд и лопаются при прикосновении или самопроизвольно.

Выдувается мыльный пузырь в соответствии с законом Паскаля: Давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку жидкости или газа одинаково по всем направлениям. Это утверждение объясняется подвижностью частиц жидкостей и газов во всех направлениях.

Растяжение пленки и её форма объясняется поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение имеет двойной физический смысл — энергетический (термодинамический) и силовой (механический). Энергетическое (термодинамическое) определение: поверхностное натяжение — это удельная работа увеличения поверхности при её растяжении при условии постоянства температуры. Силовое (механическое) определение: поверхностное натяжение — это сила, действующая на единицу длины линии, которая ограничивает поверхность жидкости.

Равнодействующая молекулярных сил, действующих на молекулы, находящиеся внутри жидкости, равна нулю. На молекулы в поверхностном слое действует равнодействующая молекулярных сил, направленная внутрь жидкости В связи с этим молекулы в поверхностном слое обладают избыточной потенциальной энергией, называемой поверхностной энергией, по сравнению с молекулами, находящимися внутри жидкости.

 Как и все системы жидкость стремится занять положение с минимальной потенциальной энергией, т. е. уменьшить площадь свободной поверхности. Это проявляется, например, в том, что капля жидкости в состоянии невесомости принимает форму шара, поскольку шар имеет минимальную площадь поверхности при заданном значении объема

 При сокращении площади поверхности молекулярные силы совершают работу, которая пропорциональна изменению площади:

        A = S, здесь – коэффициент поверхностного натяжения.

Стремление жидкости сократить площадь свободной поверхности приводит к возникновению сил поверхностного натяжения, действующих на границу свободной поверхности перпендикулярно к ней, направленных по касательной к поверхности. Наиболее ярко поверхностное натяжение проявляется у мыльных пленок.

        Пусть на замкнутом контуре, образованном двумя направляющими и подвижной перемычкой, натянута мыльная пленка . Стремясь сократить площадь свободной поверхности, пленка действует на перемычку с силой натяжения Fн, которая заставляет перемычку переместиться на расстояние h. При этом совершается работа, равная произведению действующей силы на перемещение:

        A = Fнh.

С другой стороны, как было показано выше, эта работа равна:

        A = S.

Изменение площади поверхности пленки равно площади прямоугольника:

        S = lh, тогда имеем:

        A = lh.

Приравниваем полученные для работы выражения:

        Fнh = lh и после сокращения обеих частей на h получаем формулу для вычисления силы поверхностного натяжения:

        Таким образом, сила поверхностного натяжения прямо пропорциональна длине границы свободной поверхности. Полученная формула позволяет сформулировать следующее определение:

        Коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины границы свободной поверхности.

        [] = Н/м.

        С ростом температуры коэффициент поверхностного натяжения линейно убывает , потому что при этом увеличивается кинетическая энергия движения молекул (закон сохранения энергии). Сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к участку контура, на который она действует.

Поверхностное натяжение может быть на границе газообразных, жидких и твёрдых тел. Обычно имеется в виду поверхностное натяжение жидких тел на границе «жидкость — газ».

Коэффициент поверхностного натяжения жидкостей, мН/м (при 20°C)

Вода 73

Бензин 21

Керосин 24

Мыльный раствор 40

Молоко 46

Нефть 30

Ртуть 472

Спирт 22

Эфир этиловый 17*

Структура стенки мыльного пузыря

Плёнка пузыря состоит из тонкого слоя воды, заключённого 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

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. Распространённое 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 плёнка 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 счёт поверхностного натяжения. Силы натяжения формируют сферу потому, что сфера имеет наименьшую площадь поверхности при данном объёме. Эта форма может быть существенно искажена потоками воздуха и самим процессом надувания пузыря. Однако, если оставить пузырь плавать в спокойном воздухе, его форма очень скоро станет близкой к сферической.

Красота мыльного пузыря объясняется такими сложными оптическими явлениями как дисперсия и интерференция света.

Диспе́рсия све́та (разложение света) — это явление зависимости абсолютного показателя преломления вещества от длины волны (или частоты) света (частотная дисперсия), или, что то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты).

Экспериментально открыта

Ньютоном около 1672 года.

Один из самых наглядных примеров дисперсии — разложение белого света при прохождении его через призму (опыт Ньютона). Сущностью явления дисперсии является неодинаковая скорость распространения лучей света c различной длиной волны в прозрачном веществе — оптической среде (тогда как в вакууме скорость света всегда одинакова, независимо от длины волны и следовательно цвета). Обычно чем больше частота волны, тем больше показатель преломления среды и меньше ее скорость света в ней: у красного цвета максимальная скорость в среде и минимальная степень преломления, у фиолетового цвета минимальная скорость света в среде и максимальная степень преломления. Дисперсия света позволила впервые вполне убедительно показать составную природу белого света.

Дисперсией объясняется факт появления радуги после дождя (точнее тот факт, что радуга разноцветная, а не белая).

Интерференция и отражения

Переливчатые «радужные» цвета мыльных пузырей получаются за счёт интерференции световых волн и определяются толщиной мыльной плёнки.

Интерференция света — нелинейное сложение интенсивностей двух или нескольких световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности. Её распределение называется интерференционной картиной. Впервые явление интерференции было независимо обнаружено Робертом Бойлем (1627—1691 гг. ) и Робертом Гуком (1635—1703 гг. ). Они наблюдали возникновение разноцветной окраски тонких плёнок (интерференционных полос), подобных масляным или бензиновым пятнам на поверхности воды. В 1801 году Томас Юнг (1773—1829 г) первым объяснил явление интерференции света, ввел термин «интерференция» (1803) и объяснил «цветастость» тонких пленок. Он так же выполнил первый демонстрационный эксперимент по наблюдению интерференции света, получив интерференцию от двух щелевых источников света (1802); позднее этот опыт Юнга стал классическим.

Интерференция света - явление перераспределения энергии в пространстве.

Когда свет проходит сквозь тонкую плёнку пузыря, часть его отражается от внешней поверхности, в то время как другая часть проникает внутрь плёнки и отражается от внутренней поверхности. Наблюдаемый в отражении цвет излучения 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 (на тёмном фоне эта часть пузыря выглядит «чёрным пятном»). 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.

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 свет не отражается от пузыря с такой толщиной стенки.

Это компьютерное изображение показывает цвета, отражённые тонкой плёнкой воды, освещённой белым светом.

III. Экспериментальная часть

1) Изготовление растворов

Мыльные пузыри - любимая забава для детей и даже для взрослых. Они парят в воздухе, переливаясь всеми радужными красками, и всегда вызывают улыбку. Маленькую баночку с мыльными пузырями, сейчас легко можно купить в магазине. Однако, она быстро заканчивается, а еще зачастую в них бывает не слишком хороший состав, и ожидаемый фейерверк мыльных пузырей, ограничивается лишь десятком маленьких пузыриков. А это значит, что вы наверняка, ни раз, задумывались о том, чтобы сделать раствор для мыльных пузырей самостоятельно. А еще лучше, чтобы из такого раствора получались мыльные пузыри больших размеров. Многие из нас, еще в детстве пытались надуть большие мыльные пузыри, бесконечно экспериментируя с шампунями, порошками и мылом. Однако и в таком, казалось простом, мыльном деле, есть немало хитростей. Безусловно, всё зависит от состава мыльных пузырей. Пройдясь по бескрайним просторам интернета, можно найти с десяток рецептов больших мыльных пузырей, но какой из них лучше, понять весьма сложно, что ж тогда стоит опробовать их все.

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. Распространённое 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 плёнка 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.

Самый простой способ приготовить раствор таков: на 200 гр. средства для мытья посуды (но не для посудомоечных машин) необходимо взять 600 мл. воды и 100 мл. глицерина (продаётся в любой аптеке). Всё хорошенько размешать и ваш раствор готов. Глицерин именно то средство, которое делает стенки мыльного пузыря прочнее, а сам пузырь, соответственно, более долгоживущим.

Способ под номером два. Этот рецепт мыльных пузырей по сложнее и приготовление раствора займёт больше времени. На 600 мл. ГОРЯЧЕЙ воды необходимо взять 300 мл. глицерина, 20 капель нашатырного спирта и 50 гр. любого порошкообразного моющего средства. Все ингредиенты перемешиваем и оставляем настояться на 2-3 дня. После этого раствор тщательно профильтровываем и ставим в холодильник на 12 часов. И, наконец, можно приступать к выдуванию радужных красавцев.

Способ третий, на мой взгляд, весьма сомнительный. Но можно попробовать. Кусок хозяйственного мыла натираете на крупной тёрке. Полученную мыльную стружку (4 столовые ложки) на медленном огне растворяете в 400 мл. горячей воды. Раствор оставляете на неделю, после чего добавляете в него 2 чайные ложки сахара. Оставляете до растворения сахара, перемешиваете - готово.

Обобщая вышесказанное:

1. Вода должна быть дистиллированная.

2. Мыло должно быть калийное, оно же жидкое, оно же шампунь.

3. Глицерин добавлять через несколько часов.

4. Влажность в помещении, где пускаются пузыри должна быть высокая (чем больше, тем дольше срок жизни пузырей).

5. Ну это, в качестве предположения- добавьте в раствор стеариновой кислоты (немного).

Минимальный рецепт - 1 литр дистиллированной воды и 100 мл моющего средства (лучше всего Fairy или Bingo - прим. мои);

Стабильные пузыри - 1 литр дистиллированной воды, 75 мл нейтрального мыла, 50 г сахара, 2,5 г обойного клея.

Большие пузыри - 1 литр дистиллированной воды, 150 мл глицерина, 300-400 мл шампуня.

Сладкие пузыри

- около 50 мл. обычного прозрачного геля для душа;

- столько же воды;

- и, внимание! половина чайной ложки сахара.

Сахар творит настоящие чудеса! С их помощью пузырей за один "продув" получается не 3-5 штук, а какое-то нереальное количество штук, если, конечно, не больше

2) Изготовление оборудования для выдувания пузырей

Простейшая проволочная петля.

Берёте отрезок тонкого, но жесткого провода и формируете на одном из его концов петлю приблизительно 4 см. в диаметре.

Для использования, окунаете петлю в раствор и мягко дуете.

Трубка для пузырей тоже годится не всякая. С помощью соломинки, настоящей или пластмассовой, или стеклянной трубки можно выдувать только маленькие пузыри.

Коктейльные соломки дают неплохой результат. Эффект будет лучше, если сделать на одном из концов 4 коротких разреза

(примерно 3см) и развести их в разные стороны, как ромашку. Если расщепишь соломинку или на конец трубки наденешь кружок из пробки или школьной резинки, это будет служить пузырям поддержкой. Можно будет выдувать пузыри по больше. Для самых больших пузырей понадобится воронка или же игрушечная детская труба. С помощью воронки можно выдуть пузырь-великан диаметром до 30 см. Конечно, дуть придется с перерывами, каждый раз зажимая отверстие. "Единым духом" такой пузырь не надуешь: в него входит почти ведро воздуха!

Петля для пузырей-гигантов

Продеваете сквозь две длинные и прочные соломинки резинку (венгерку) длиной в четыре раза больше, чем длина трубочки и связываете её в кольцо. Для использования опускаете смыкающиеся трубочки в раствор, медленно разводите до натяжения резинки и осторожно вынимаете. Существует ещё целая гора различных приспособления для запуска пузырей — трубы, вершины от пластмассовых бутылок, петли, сформированные большим и указательным пальцем.

можно взять веревку (лучше не синтетическую), длиной примерно в метр, завязать кольцом, прикрепить к двум палочкам таким образом, что, когда мы держим в обеих руках палочки, веревка образует подобие треугольника. Макаем веревку в мыльный раствор, медленно разводим палочки и дуем на получившуюся пленку.

3) Измерение коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва петли

Оборудование:

1) динамометр типа ДПН с принадлежностями;

2) штатив для фронтальных работ;

3) вода обычная из водопроводного крана; мыльный раствор с глицерином;

4) линейка измерительная 30 см с миллиметровыми делениями.

Содержание и метод выполнения работы

Свободная поверхность жидкости в состоянии равновесия стремится к минимуму, жидкость как бы стягивается упругой поверхностной пленкой, стремящейся к уменьшению своей площади.

При образовании тонкой пленки шириной l вдоль границы поверхности жидкости действует сила поверхностного натяжения F, равная

F = 2σl (1) где σ — поверхностное натяжение; множитель 2 стоит по той причине, что пленка имеет две поверхности.

Модуль силы поверхностного натяжения F измеряют чувствительным динамометром типа ДПН, а ширину пленки, равную ширине проволочной петли, — измерительной линейкой.

Динамометр типа ДПН (рис. 2) состоит из корпуса 3, внутри которого размещена измерительная пружина 5, имеющая прямой конец с открытым зацепом 7. Зацеп предназначен для соединения петли 8 с измерительной пружиной динамометра. Для отсчета показаний по шкале на измерительной пружине закреплена стрелка б. Исследуемая жидкость наливается в стеклянную чашку 9.

Для измерения поверхностного натяжения проволочную петлю полностью погружают в жидкость, а затем медленно вытягивают из жидкости. При этом на петле образуется пленка. Когда сила упругости пружины динамометра станет по модулю равна силе поверхностного натяжения F, пленка разрывается.

Порядок выполнения работы

1. Изучим устройство динамометра ДПН.

2. Подготовим прибор к выполнению измерений. Для этого наденем на открытый зацеп 7 петлю 8 . Придерживая установочный винт 1, отвернем стопорный винт 2. Вращая стакан 4 и нажимая на головку винта /, установим стрелку динамометра на нулевое деление шкалы. Завинтим стопорный винт.

3. Нальем в чашку 9 дистиллированную воду и установим ее на подставку 10. Вращая винт держателя 11, поднимаем чашку с жидкостью до такого уровня, чтобы петля полностью погрузилась в воду.

4. Медленно опускаем чашку с водой. Для этого выворачиваем винт держателя 11 до тех пор, пока не разорвется пленка жидкости, тянущаяся за петлей. Заметим по шкале динамометра силу разрыва пленки.

5. Вычислим коэффициент поверхностного натяжение по формуле (2).

6. Для большей точности повторим измерения три раза. Вычислим среднее значение коэффициента поверхностного натяжения.

1) Обычная вода

№ опыта l (мм) F (мH) σ () σср ()

1 40 4 0,05

2 50 5 0,045 0,0453

3 60 4,5 0,041

2) Мыльный раствор с глицерином

№ опыта l (мм) F (мH) σ () σср ()

1 40 2,5 0,03125

2 50 3 0,03 0,0301

3 60 3,5 0,02916

Вывод: Как показывает опыт коэффициент поверхностного натяжения мыльной плёнки меньше, чем у воды, но именно мыло и глицерин продлевают время жизни мыльного пузыря, так как замедляют процесс испарения

4) Получение крупных и красивых по форме мыльных пузырей.

5) Релаксация.

IV. Вывод

Данное исследование мыльных пузырей, не имеет никакого отношения к профессиональным научным экспериментам. Всё было выполнено, лишь с той целью, чтобы попытаться разобраться в предлагаемых рецептах доступных в сети интернет. 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.

Во всем мире масса энтузиастов, любителей и артистов мыльных шоу, устанавливают рекорды размеров и долговечности мыльных пузырей. Однако, в силах каждого из нас, создать свой совершенный состав для мыльных пузырей, благодаря которому вы не только получите массу удовольствия и восторги друзей, а возможно даже установите новый мировой рекорд.

В некоторых случаях для получения хорошего настроения и положительных эмоций достаточно минимальных затрат сил, финансов и времени. Например, можно пускать мыльные пузыри! Радужные блики на пузырях превращают наши «мыльные» забавы в настоящий праздник. Действительно, волшебные переливы красок на поверхности тончайших мыльных пленок дают физику возможность измерить длину световых волн, а исследование натяжения этих нежных пленок помогает изучать законы действия сил между частицами – тех сил сцепления, при отсутствии которых в мире не существовало бы ничего, кроме тончайшей пыли. С другой стороны умение выдувать большие и красивые пузыри – своего рода искусство. Именно поэтому меня заинтересовала эта тема.