Что находится внутри мыльного пузыря

Что находится внутри мыльного пузыря

Пузырь из воды нестабилен и быстро лопается. Другое дело, если в воде растворить немного поверхностно-активного вещества (ПАВ), например мыла. Молекулы ПАВов имеют две стороны: одна отталкивает воду (гидрофобная), другая к ней притягивается (гидрофильная). Когда мы намыливаем руки, молекулы грязи цепляются к гидрофобному концу, а гидрофильная сторона прикрепляется к воде и увлекает за собой молекулы мыла вместе с частичками грязи. Но как получаются пузыри?

В толще воды молекулы притягиваются друг к другу и распределяются равномерно. На поверхности всё по-другому. Там молекулы тесно взаимодействуют с соседями внутри жидкости, но очень слабо — с молекулами воздуха. Иными словами, они притягиваются соседями снизу и сбоку, а сверху — нет. Поэтому поверхность ведёт себя как растянутая эластичная плёнка.

Растворённые в жидкости ПАВы стремятся к поверхности (ведь одна сторона такой молекулы «боится» воды). Заменяя молекулы воды на поверхности, они снижают поверхностное натяжение, что позволяет площади поверхности увеличиваться. Когда мы надуваем пузырь, тонкая плёнка жидкости оказывается между двумя слоями молекул ПАВа (они стремятся наружу, а внутри и снаружи пузыря воздух). Поскольку из всех фигур одинакового объёма именно сфера имеет наименьшую площадь (а значит, наиболее энергетически выгодна), пузырь принимает её форму.

Мыльные пузыри могут принимать форму объекта с минимальной площадью поверхности. Эту особенность используют для изучения растяжимых структур, применяемых при строительстве сверхлёгких крыш, мостов и каркаса кораблей. Что это даёт? Минимальные затраты строительных материалов при достаточной устойчивости. Так, немецкий архитектор Фрай Отто, вдохновлённый мыльными пузырями, использовал мембранные поверхности при строительстве олимпийского стадиона в Мюнхене в 1972 году.

А как устроена мыльная пена?

Структуры пены подробно описал бельгийский физик Жозеф Плато в 1873 году. Он экспериментально выявил закономерность: каждый пузырь стремится уменьшить площадь поверхности, поэтому пузырьки объединяются, чтобы разделить общую стенку (три стенки вместо шести), а угол между ними всегда равен 120 градусам. Границы соприкосновения мыльных пузырей позже были названы границей Плато — в честь учёного.

Мыльные пузыри имеют радужную окраску. Причину этого явления объяснил ещё Исаак Ньютон в начале XVIII века: дело в интерференции — наложении световых волн. Когда свет падает на поверхность пузыря, часть волн отражается от внешней стороны мыльной плёнки, а другая проходит через неё, преломляется и отражается от внутренней поверхности. Когда эти волны встречаются с отражёнными от внешней поверхности, их гребни и впадины не всегда совпадают. Если совпадают, то волны усиливают друг друга, если нет — ослабляют. Толщина плёнки неодинаковая, поэтому отразившиеся от неё лучи имеют разную длину волны. В результате мы видим радужные разводы на пузыре.

Интерференция световых волн, отражённых от верхней и нижней поверхности плёнки: белый свет распадается на лучи разного цвета

Создание мыльных пузырей в космосе — занятие не только увлекательное, но и полезное. Астронавт NASA Дон Петтит выдувал их на борту Международной космической станции.

Он использовал шипучие таблетки и смоченную в воде проволоку. Таблетка растворялась в воде на поверхности проволоки, выделяя углекислый газ. Газ раздувал плёнку воды, образуя пузырь, который из-за отсутствия силы тяжести увеличивался в объёме, но не лопался. Уменьшить его можно было откачав содержимое с помощью шприца.

Дон Петтит прокомментировал эксперимент так: «Изучать поведение газов в жидкости нужно, чтобы лучше понимать условия низкой гравитации. Если вы проводите исследования или создаёте инструменты, которые должны работать в подобных условиях, важно понимать, что происходит с газом в жидкости и наоборот».

Источник

Мыльные пузыри

Мыльный пузырь – это шар из тонкой пленки мыльной воды, наполненный воздухом и имеющий переливчатый цвет. Сейчас это самая популярная игрушка в мире, но как и где возникли мыльные пузыри доподлинно неизвестно. Есть две основные версии их возникновения. Первая версия гласит, что мыло, а затем и мыльные пузыри изобрели римляне несколько тысячелетий назад. Перед обрядами они мазали тело жиром и посыпали сверху пеплом. И как-то раз заметили их чудотворное влияние на волосы во время дождя. Тогда-то они и задумались о необходимости создания первого чистящего средства, то есть мыла. Спустя некоторое время, появилась и такая забава, как мыльные пузыри.

Сторонники второй версии утверждают, что в древности один из королей издал указ всем своим подданным тщательно вымыться. Тому же, кто ослушается, грозила смертная казнь. И лишь один трубочист так боялся мыть шею, что отказался это делать, даже когда стражники повели его в тюрьму. В камере у него стоял таз с мыльной водой и полотенцами – как последний шанс. Но страх трубочиста был настолько силен, и тут он отказался. В качестве последнего желания перед смертью, он попросил покурить трубку. И когда подошел к окну и сделал первый выдох – то из трубки вылетел прозрачный, чуть переливающийся на солнце шар, а потом еще один и еще и еще.

Так, под окна тюрьмы сбежалась целая толпа. Как потом оказалось, в трубку просто попала мыльная пена. Вскоре уже все забыли про предстоящую казнь. Более того, за это изобретение трубочисту дали титул почетного гражданина королевства. Долгие века мыльные пузыри делали из мыльного раствора, остающегося после стирки. И лишь в XIX веке компания Pears Soap стала производить флакончики со специальным раствором мыльных пузырей. В XX веке произошел бум мыльных пузырей. Тогда же благодаря движению «хиппи» мыльные пузыри стали символом мира и гармонии.

Мыльный состав помещен в стильную баночку, выполненную в виде различных форм, которую удобно держать в руках. Объемы флаконов разняться от 25 миллилитров до полулитра. Погрузите специальное вытянутое кольцо в раствор, взмахните им в воздухе, и перед вами закружатся десятки мыльных пузырей огромного размера. Игрушка будет пускать красочные пузыри, которые будут переливаться всеми цветами радуги и парить в воздухе, радуя всех окружающих.

Если вдруг закончился мыльный раствор, то его можно легко сделать самостоятельно в домашних условиях. Вам понадобится: 400 мл воды; 100 мл средства для посуды; 2 чайные ложки обычного белого сахара. Лучше брать обычную жидкость для посуды без красителей и ароматизаторов. Средство для посудомоечных машин не подойдет. Итак, чтобы приготовить раствор для мыльных пузырей, добавьте в теплую воду средство для посуды и сахар. После этого хорошо перемешайте ингредиенты. Все, раствор готов! Для самых маленьких можно сделать мыльный раствор из детского шампуня. Вам понадобится: 500 мл воды; 200-250 мл детского шампуня; 3 столовые ложки сахарного песка. Шампунь растворите в теплой воде. Приготовленная жидкость должна немного настояться. Оставьте раствор на ночь, а лучше – на сутки. Затем добавьте в смесь сахар и хорошенько все перемешайте.

Игры с мыльными пузырями уже с первых месяцев жизни развивают у малышей координацию движений и учат их следить за движущимися предметами. Мыльные пузыри также отлично поднимают настроение и помогают справится со стрессами и нервным напряжением. Очень популярными стали шоу мыльных пузырей, которые показывают на детских днях рождениях и других праздниках. Конечно, детям трудно сдержать свой восторг, когда они видят сотни маленьких пузырей и большие гигантские, внутрь которых можно поместить не одного человека. Мыльных на рынке великое множество. Невозможно перечесть всех производителей, занимающихся производством этой незатейливой, но всеми любимой игрушки. Из таких компаний можно выделить «Bubbleland», «Paddle Bubble», «Веселая затея», «1TOY»,» ABtoys» и «Plan Toys».

Источник

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 ещё 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 [ | ]

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( Jean Taylor (англ.) ( рус. ).

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 наблюдаются вследствие интерференции световых волн и определяются толщиной мыльной плёнки.

Когда луч света проходит сквозь тонкую плёнку пузыря, часть его отражается от внешней поверхности, формируя первый луч, в то время как другая часть проникает внутрь плёнки и отражается от внутренней поверхности, образуя второй луч. Наблюдаемый в отражении цвет излучения определяется интерференцией этих двух лучей. Поскольку каждый проход света через плёнку создаёт 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 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:

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 огнём.

Источник

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.

Источник

Что находится 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:

E_пов. =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:

F_пов. =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: 2R = РR 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

Источник