Что находится в мыльном пузыре ответ
Что такое мыльный пузырь?
Что такое мыльный пузырь? Это тончайшая многослойная пленка мыльной воды, наполненная воздухом, обычно в виде сферы с красивой переливчатой поверхностью.
Макроснимки мыльных пузырей и немного умных слов.
Пленка мыльного 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.
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. Мыло избирательно усиливает слабые участки пузыря, не давая им растягиваться дальше. В дополнение к этому, мыло предохраняет воду от испарения, тем самым увеличивая время жизни пузыря.
Переливчатые «радужные» цвета мыльных пузырей получаются за счет интерференции световых волн и определяются толщиной мыльной пленки. Когда свет проходит сквозь тонкую пленку пузыря, часть его отражается от внешней поверхности, в то время как другая часть проникает внутрь пленки и отражается от внутренней поверхности. Наблюдаемый в отражении цвет излучения определяется взаимодействием этих двух отражений.
По мере того, как пленка становится тоньше из-за испарения воды, можно наблюдать изменение цвета пузыря. Более толстая пленка убирает из белого света красный компонент, делая тем самым оттенок отраженного света сине-зеленым. Более тонкая пленка убирает желтый (оставляя синий свет), затем зеленый (оставляя пурпурный), и затем синий (оставляя золотисто-желтый). 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 темном фоне эта часть пузыря выглядит «черным пятном»). Когда это происходит, толщина стенки мыльного пузыря меньше 25 нанометров, и пузырь, скорее всего, скоро лопнет. Как раз такая фаза снята на кадре ниже:
Цвет также зависит от угла, с которым луч света сталкивается с пленкой пузыря. Таким образом, даже если бы толщина стенки была везде одинаковой, мы бы все 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.
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 объёме, 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.
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…
Большое значение имеет материал и форма трубочки или кольца для выдувания пузырей. Кольцо используется для создания множества относительно маленьких пузырей. Трубочка для создания одного большого пузыря. Если использовать трубку из картона, с толстыми плотными стенками 1.5-2 мм, и внутренним диаметром 10-12 мм, можно получить долго живущий (до нескольких минут), прицепленный к трубке пузырь, с размерами более 30 см в диаметре.
Использование большого внутреннего диаметра позволяет вдувать воздух в достаточном объеме, и с минимальной скоростью, уменьшая колебания пузыря и риск его соскальзывания с трубки. Толстые картонные стенки — позволяют «запасать» большее количество раствора, за счет впитывания, тем самым подпитывая пузырь в процессе.
Избыточное количество жидкости, может вызвать образование капли в нижней части пузыря, и его «срыв» вследствие большого веса. Длина трубки подбирается индивидуально.
Мыльный пузырь
Мыльный пузырь — тонкая многослойная плёнка мыльной воды, наполненная воздухом, обычно в виде сферы с переливчатой поверхностью. Мыльные пузыри обычно существуют лишь несколько секунд и лопаются при прикосновении или самопроизвольно. Их часто используют в своих играх дети.
Из-за недолговечности мыльный пузырь стал синонимом чего-то привлекательного, но бессодержательного и недолговечного. Иногда акции на новых рынках сравнивают с мыльными пузырями, в случае искусственного раздутия их ценности их называют «дутыми».
Содержание
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.
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. 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.
Замерзание пузырей
Если надуть пузырь при температуре −15 °C, то он замёрзнет 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 тёплым воздухом, то он замёрзнет почти в идеальной сферической форме, но по мере того, как воздух будет охлаждаться и уменьшаться в объёме, 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 бо́льшую среднюю кривизну и большее внутреннее давление. Если пузыри одинакового размера, их общая стенка будет плоской.
Правила, которым подчиняются пузыри при соединении, были экспериментально установлены в XIX веке бельгийским физиком Жозефом Плато и доказаны математически в 1976 г. Жаном Тейлором.
Пузыри, не подчиняющиеся этим правилам, в принципе могут образовываться, однако будут сильно неустойчивыми и быстро примут правильную форму либо разрушатся. Пчёлы, которые стремятся уменьшить расход воска, соединяют соты в ульях также под углом 120°, формируя, тем самым, правильные шестиугольники.
Интерференция и отражения
Переливчатые «радужные» цвета мыльных пузырей получаются за счёт интерференции световых волн и определяются толщиной мыльной плёнки.
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.
.png "120px %D0%98%D0%BD%D1%82%D0%B5%D1%80%D1%84%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%BD%D1%86%D0%B8%D1%8F %D0%BD%D0%B0 %D0%BF%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D1%80%D1%85%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8 %D0%BF%D1%83%D0%B7%D1%8B%D1%80%D1%8F (%D0%BA%D1%80%D0%B0%D1%81%D0%BD%D1%8B%D0%B9)")
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.
.png "120px %D0%98%D0%BD%D1%82%D0%B5%D1%80%D1%84%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%BD%D1%86%D0%B8%D1%8F %D0%BD%D0%B0 %D0%BF%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D1%80%D1%85%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8 %D0%BF%D1%83%D0%B7%D1%8B%D1%80%D1%8F (%D1%81%D0%B8%D0%BD%D0%B8%D0%B9)")
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 неполяризованным белым светом.
Математические свойства
Плёнка мыльного пузыря всегда стремится минимизировать свою площадь поверхности. Это связано с тем, что свободная энергия жидкой плёнки пропорциональна площади её поверхности и стремится к достижению минимума:
где 
— поверхностное натяжение вещества, а 
— полная площадь поверхности плёнки. Оптимальная форма отдельного пузыря — сфера, однако несколько пузырей, объединённых вместе, имеют 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 приёмов, помогающих улучшить результат:
Компоненты
Процедура
Шоу мыльных пузырей
Шоу мыльных пузырей это и развлечение и искусство. Создание эффектных пузырей требует от артиста высокого уровня мастерства, а также способности приготовить мыльный раствор идеального качества. Некоторые художники создают гигантские пузыри, часто обертывающие объекты или даже людей. Другим удаётся создать пузыри в форме куба, тетраэдра и других фигур. Часто, для усиления визуального эффекта, пузыри заполняют дымом или горючим газом, сочетают с лазерной иллюминацией или открытым огнем.
Мыльный пузырь
Маленький мальчик пускает мыльные пузыри на алжирском лугу
Замороженный мыльный пузырь.
Эта структура похожа на структуру биомембран, за исключением того, что в мыльных пузырях вода находится внутри мембраны, а не снаружи.
Резюме
Физический
Форма исследования
Однако многие очень сложные математические задачи имеют чрезвычайно простые формулировки.
Законы плато
Внутреннее давление
Чтобы попасть в мыльный пузырь изнутри, нам нужно пересечь две поверхности со средней изменчивостью. В силу закона Лапласа мы вычисляем давление внутри мыльного пузыря. Он задается формулой:
P ext давление вне пузыря,
R радиус мыльного пузыря.
Наблюдаемые цвета
Стареющий мыльный пузырь теряет воду из своей пленки, и тогда мы видим, как появляются черные области. Когда эта вода полностью исчезнет, она станет полностью черной: это «пленка Ньютона », пленка больше не отражает свет.
Спортивные игры и тренировки
Игрушки общего пользования
_g%C3%A9n%C3%A9rateur_de_bulles_1a.jpg/220px-Doullens_(27_juin_2009)_g%C3%A9n%C3%A9rateur_de_bulles_1a.jpg "220px Doullens (27 juin 2009) g%C3%A9n%C3%A9rateur de bulles 1a")
Чтобы получить 100 мл, перемешайте по порядку:
Затем оставьте на несколько часов, не накрывая, чтобы спирт, содержащийся в моющем средстве, испарился.
Вот общий рецепт создания гигантских мыльных пузырей:
Практика гигантских мыльных пузырей
Чемпионы умудряются производить пузыри от метра и более. Вы должны уметь обращаться с ниткой и палочками для еды, не стесняйтесь тренироваться и употреблять большое количество литров «соуса», прежде чем захотеть засветиться на публике.
Физика мыльных пузырей
Мой учитель по физике предложила поучаствовать в конкурсе «Я учу физику». Я сразу принял это предложение, так как физика стала моим любимым предметом.
Почему я выбрал тему «Физика мыльных пузырей»?
У меня есть маленькая сестрёнка, которая любит всех удивлять. Каждый день я поражаюсь ею. И, конечно, я решил сделать для нее сюрприз!
В мыльном пузыре присутствуют 3 важных элемента:
Остановлюсь на каждой теме и попытаюсь ее раскрыть.
Знание явления «диффузии» необходимо было мне для того, чтобы узнать, как сделать наилучший раствор для мыльного пузыря. Как же сделать лучший мыльный раствор? В ходе работы выяснил, что мне необходимы для опытов:
Это основные компоненты для создания мыльного раствора. В видеоролике будет предложено 3 раствора для мыльного пузыря.
Далее я узнал для чего мне надо знать закон Паскаля. Сейчас я смело могу сказать своей младшей сестре, что мыльный пузырь имеет форму шара, так как давление внутри жидкости или газа во всех направлениях одинаково.
И действительно, почему пузырь имеет форму шара?
Как же выдуваются мыльные пузыри? Почему некоторые пузыри поднимаются, а потом опускаются?
Для того чтобы выдуть мыльный пузырь необходим хороший мыльный раствор. Мы надуваем мыльный пузырь тёплым воздухом изо рта. Этим воздухом мы создаём силу выталкивания, по которой воздух выталкивает плёнку в трубочке и получается пузырь формы шара. Он поднимается, ведь, как я уже говорил, тёплый воздух легче холодного. Остывая, он опускается, ведь остывший воздух тяжелее тёплого. Здесь всё стало ясно!
Из истории: Житель Швейцарии Ханс Рудольф Сутер выдул мыльный пузырь в длину более чем на 4 метра. Впоследствии его имя было внесено в «Книгу рекордов Гиннеса».
Я задался вопросом: Почему мыльные пузыри на солнце переливаются?
Оказалось, что это можно объяснить тоже при помощи физики. Но пока это явление смог узнать информацию от учителя, так как данная тема будет рассматриваться в 8 классе.
Оказалось, что калейдоскоп цветов, которыми переливаются мыльные пузыри, вызывается сложной структурой света и тем, как он отражается от поверхности пузырей. Белый свет состоит из множества цветов, каждый из которых характеризуется собственной длиной волны. Вот так и переливаются мыльные пузыри.
Я надеюсь, что мой проект вам понравится.
При выполнении практических опытов, я помнил о правилах техники безопасности. Я учитывал, что работать с мыльным раствором надо аккуратно, чтобы он не попадал в глаза. Также, размешивая раствор в стеклянной посуде, я работал с ней осторожно.
Великое надувательство: наука мыльных пузырей
Делали ли мыло из человеческого жира на самом деле, как пузыри помогают изучать квантовую механику, метеорологию и сетчатку дрозофил, какая химия творится в мыловаренной промышленности и что такое мыльный клей? Во всем этом разбирался Indicator.Ru.
Жюль Верн, Чак Паланик, Рудольф Шпаннер
Мыло изготавливают при помощи гидролиза сложных эфиров, или омыления. Чтобы его создать, жиры гидролизуют в присутствии щелочей. Для начала в специальных варочных котлах нагревают жиры. Чтобы получить твердое мыло — с гидроксидом натрия (NaOH), жидкое – с гидроксидом калия (KOH). Кстати, в «Таинственном острове» Жюль Верн описывает получение мыла из жира водного млекопитающего дюгоня при помощи соды – но не той, что стоит у вас на кухне. В оригинале это была soude naturelle, каустическая сода (еще одно название гидроксида натрия), которую герои романа добыли, сжигая водоросли. А если добавить не едкий натр, а известь, то, как подметил Сайрус Смит, получится бесполезное в хозяйстве нерастворимое известковое мыло. Для стирки оно и правда не годится, однако кальциевое мыло используют как загуститель – добавив его в нефтяное масло, можно получить солидол. Кроме кальция, такое мыло-загуститель можно делать с литием.
Схема сложного эфира, где буквой R обозначены радикалы. В данном случае радикалами могут быть любые фенильные (ароматические «колечки»-шестигранники) или алкильные (метил, этил, пропил и так далее) группы
Ben Mills/Wikimedia Commons
А вот в качестве источника сложных эфиров подойдут жиры и масла самого разного происхождения. Часто используется животный жир, хотя на его месте может быть и оливковое масло, ставшее основой знаменитого марсельского мыла, и кокосовое, и пальмовое, и рапсовое масла.
Реклама мыла из смеси оливкового и пальмового масла на страницах женского журнала 1922 года
Но есть и более эксцентричные варианты: герой романа Чака Паланика «Бойцовский клуб» Тайлер Дерден для этой цели придумал воровать из клиник человеческий жир, оставшийся после липосакции. Однако не всегда человеческий жир добывался таким безобидным способом – несмотря на то, что рассказы о массовом производстве в Германии мыла из трупов на поверку оказались делом рук британской пропаганды, начавшейся еще во время Первой мировой и заново расцветшей пышным цветом в годы Третьего рейха.
Мраморная памятная табличка на здании Медицинской академии в Гданьске, где Шпаннер проводил свои эксперименты
Mieciu K/Wikimedia Commons
В 2006 году удалось подтвердить, что профессор анатомического института в Данциге (ныне Гданьск) Рудольф Шпаннер все-таки экспериментировал, создавая мыло из жира заключенных. Установить истину помог лабораторный анализ мыла, которое использовали в качестве улики против Шпаннера еще на Нюрнбергском процессе. Однако слухи о промышленных масштабах такого производства пока не доказаны.
Ядро и мембрана: что общего у мыла и живой клетки
Но вернемся от этих ужасающих картин к процессу получения мыла. После омыления образуется вязкая густая жидкость – смесь мыла и глицерина, которую называют «мыльный клей». Его можно уже залить в формы, дать застыть, а потом использовать. Однако мыло, полученное напрямую из мыльного клея (его называют «клеевое мыло» – да простят нас нелюбители тавтологий), содержит мало жирных кислот (40-60%). Из-за этого оно будет хуже пениться (хотя глицерин смягчает кожу, поэтому иногда его все же оставляют).
Чтобы повысить содержание жирных кислот, нужно отделить глицерин. Для этого можно добавить к мыльному клею или снова раствор щелочи, или раствор хлористого натрия. Тогда мыльный клей разделяется на слои: верхний, содержащий много жирных кислот, становится основой для мыла (слой называют «ядро», отсюда «ядровое мыло»), а нижний, где остается много глицерина и загрязняющие компоненты, называют «подмыльный щелок». Пилированным будут называть мыло, которое делали из ядра, перетертого на валиках специальной машины. Это делает мыло более однородным, устойчивым к прогорканию и размоканию.
Но как химически происходит отстирывание загрязнений при помощи мыла? Рассказываем. У молекулы мыла, как и у фосфолипидов, которые составляют мембрану наших клеток, есть гидрофобная (водоотталкивающая) часть СН3—(CH2)n и гидрофильную (водолюбивую) часть, например, COONa + у твердого мыла. И, как и фосфолипиды в мембране, такие молекулы стремятся запрятать гидрофобные концы внутрь, чтобы спрятаться от внешней среды, где находится вода, а гидрофильные ориентируют наружу, создавая двойной слой – мыльную пленку, либо маленькие пузырьки-мицеллы.